當(dāng)碳化硅變成地?cái)傌?/h1>
碳(C)是元素周期表中第六號(hào)元素，在生活中比較常見，在有機(jī)化學(xué)中也扮演者重要角色。碳形成的物質(zhì)性質(zhì)差異很大，有自然界硬度最大的金剛石，也有質(zhì)地非常柔軟的石墨。硅(Si)與碳處于周期表中的同一列，所以二者化學(xué)性質(zhì)也相似。硅在自然界中主要以硅酸鹽或二氧化硅的形式存在，儲(chǔ)量豐富。提取到純度99%以上的硅單質(zhì)開創(chuàng)了“信息時(shí)代”，硅制成的集成電路與晶體管等半導(dǎo)體器件的生產(chǎn)大大加速了信息化的進(jìn)程，而二氧化硅制造的光纖更是將世界連接了一起。碳與硅比較常見，那你有沒有想過碳+硅是什么呢?
1、什么是碳化硅
碳加硅會(huì)形成一種新的化合物—碳化硅(SiC)，俗稱金剛砂。碳化硅在自然界中很罕見，天然碳化硅晶體一般被稱為莫桑石，1893年法國化學(xué)家亨利·莫瓦桑首先發(fā)現(xiàn)而命名。那這種物質(zhì)有什么獨(dú)特之處嗎?
自然界中的碳化硅
還記得高中學(xué)過的硬度表嗎?莫斯以十種礦物的劃痕硬度作為標(biāo)準(zhǔn)，定出十個(gè)硬度等級(jí)，其中將金剛石的硬度定為10，是該標(biāo)準(zhǔn)中最硬的礦石。碳化硅也屬于超硬材料，硬度達(dá)到了9.25，略低于鉆石。
1893年后，合成的碳化硅粉末開始大規(guī)模生產(chǎn)，用作機(jī)械的磨料。由于碳化硅熔點(diǎn)較高，也經(jīng)常被用于高溫、高壓的環(huán)境中。總之，碳化硅本身夠硬、抗熱!
碳化硅又是一種具有很強(qiáng)商業(yè)性的半導(dǎo)體材料，一般工業(yè)用于電子元件等的碳化硅都是半導(dǎo)體級(jí)別。1907年發(fā)明了第一個(gè)碳化硅型的二極管，后來碳化硅也應(yīng)用到藍(lán)色LED的生產(chǎn)之中。甚至碳化硅還可用于生產(chǎn)石墨烯，因?yàn)樗幕瘜W(xué)性質(zhì)促進(jìn)了石墨烯在碳化硅納米結(jié)構(gòu)表面的生長。甚至還有一種極端生長石墨烯的辦法就是在真空下，高溫分解碳化硅。[4]
人工合成的碳化硅價(jià)格大約是鉆石的十分之一，因此被認(rèn)為是鉆石的良好替代品，也是一種廉價(jià)的裝飾品;工業(yè)中用碳化硅多用在半導(dǎo)體、陶瓷等行業(yè)中，可以說碳化硅“上得廳堂，下得廚房”。
碳化硅(SiC)屬于滿足國家戰(zhàn)略需求并符合國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)發(fā)展所需要的關(guān)鍵材料。SiC的研究鏈條很長，涉及基礎(chǔ)科學(xué)和工程技術(shù)領(lǐng)域的問題，屬于典型的全鏈條科技創(chuàng)新類研究。
2、全鏈條科技創(chuàng)新
科學(xué)技術(shù)是第一生產(chǎn)力。每一次工業(yè)革命都是由科學(xué)革命帶來的知識(shí)結(jié)構(gòu)革新而發(fā)生的，最終實(shí)現(xiàn)技術(shù)在社會(huì)上的廣泛應(yīng)用。
光纖傳播信息
例如，信息技術(shù)革命的發(fā)展就是由晶體管、巨磁阻(GMR)存儲(chǔ)、光纖、液晶等全鏈條科技創(chuàng)新的實(shí)現(xiàn)和不斷迭代構(gòu)建起來的。全鏈條科技創(chuàng)新涉及科研機(jī)構(gòu)、企業(yè)、政府乃至整個(gè)社會(huì)，目標(biāo)是要形成自主關(guān)鍵核心技術(shù)，乃至形成技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系。
全鏈條科技創(chuàng)新的能力及效率是衡量創(chuàng)新型社會(huì)生態(tài)的重要標(biāo)準(zhǔn)，周期越短意味著整合創(chuàng)新資源的能力越強(qiáng)、效率越高。
為早日實(shí)現(xiàn)更多的“中國創(chuàng)造”，整合創(chuàng)新資源、營造創(chuàng)新生態(tài)并提高效率尤為重要。從趨勢(shì)來看，全鏈條科技創(chuàng)新的前半段主要是基礎(chǔ)研究(絕大多數(shù)還是分散在科研院所和大學(xué)等機(jī)構(gòu))，目標(biāo)清晰之后轉(zhuǎn)移到以企業(yè)為主的開發(fā)載體上去。
所以物理所在很多科研難點(diǎn)上早早布局，爭(zhēng)取在全鏈條科技創(chuàng)新的前半段做到世界前列。其中就比如物理所的碳化硅研究。
3、物理所碳化硅基礎(chǔ)研究
1997年，中科院物理所正式布局SiC晶體研究，由陳小龍研究員牽頭。當(dāng)時(shí)相關(guān)文獻(xiàn)不多，技術(shù)細(xì)節(jié)更是一無所知，但依據(jù)晶體學(xué)和相圖方面的基礎(chǔ)，陳小龍率領(lǐng)晶體生長課題組從以激光晶體為主轉(zhuǎn)向以SiC晶體生長為主的研究工作。當(dāng)時(shí)，很多先進(jìn)技術(shù)都被發(fā)達(dá)國家壟斷，對(duì)我國實(shí)行嚴(yán)格的技術(shù)保密和封鎖，甚至產(chǎn)品禁運(yùn)，而SiC晶體也在其列。所以可想而知當(dāng)時(shí)遇到的困難有多大。
物理所M樓
1999年，陳小龍任晶體生長研究組組長，對(duì)SiC晶體生長進(jìn)行了大量系統(tǒng)的研究。作為目前世界最大的SiC材料和器件供應(yīng)商，美國CREE公司從20世紀(jì)80年代初就開展了SiC材料的研究。相比而言，物理所開始SiC晶體研究的時(shí)間晚了10余年，但在國內(nèi)而言還是屬于較早的。
陳小龍帶領(lǐng)研究組突破了關(guān)鍵的擴(kuò)晶技術(shù)，成功生長出了高質(zhì)量的2英寸4H和6H晶型的SiC單晶。通過團(tuán)隊(duì)長周期的基礎(chǔ)研究，最終攻克了SiC單晶生長中的種種難題。此外，研究團(tuán)隊(duì)在SiC材料新效應(yīng)、新物性方面也開展了大量基礎(chǔ)研究，包括SiC中的摻雜和缺陷在誘導(dǎo)本征磁性起源中的作用、通過缺陷工程調(diào)控半導(dǎo)體磁性、4H SiC晶體的非線性光學(xué)效應(yīng)、利用SiC制備大面積高質(zhì)量的石墨烯及SiC/石墨烯復(fù)合材料，并將SiC的應(yīng)用擴(kuò)展到了光催化領(lǐng)域。
目前，物理所在SiC晶體領(lǐng)域的研究成果已獲授權(quán)中國發(fā)明專利21項(xiàng)、PCT(專利合作條約)國際專利6項(xiàng)，參與起草SiC晶體相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)并已實(shí)施3項(xiàng)，在國際學(xué)術(shù)刊物上發(fā)表論文30余篇。
4、物理所碳化硅的產(chǎn)業(yè)之路
為實(shí)現(xiàn)SiC晶體的產(chǎn)業(yè)化，2006年9月物理所以SiC晶體生長相關(guān)專利技術(shù)出資成立了北京天科合達(dá)藍(lán)光半導(dǎo)體有限公司(以下簡(jiǎn)稱“天科合達(dá)公司”)，在國內(nèi)率先開始SiC晶體產(chǎn)業(yè)化工作。2012年，公司開始量產(chǎn)4英寸SiC晶體，2018年開始量產(chǎn)6英寸SiC晶體。
在這個(gè)過程中，物理所與天科合達(dá)公司之間形成了閉環(huán)的全鏈條研發(fā)小生態(tài)，雙方共同承擔(dān)各類科技項(xiàng)目10項(xiàng)，研發(fā)經(jīng)費(fèi)達(dá)到了約2.1億元人民幣。這種小生態(tài)不僅有利于產(chǎn)學(xué)研合作研發(fā)和解決技術(shù)難題，而且可以彌補(bǔ)初創(chuàng)企業(yè)研發(fā)投入能力的不足。
SiC晶體產(chǎn)業(yè)化是一個(gè)漫長的過程，其中如何提高成品率、優(yōu)品率及達(dá)到即開即用是面臨的至關(guān)重要的攻關(guān)難題。天科合達(dá)公司在生產(chǎn)中碰到的技術(shù)和工藝問題時(shí)，同步反饋到物理所。物理所相關(guān)研究團(tuán)隊(duì)投入力量從基礎(chǔ)研究角度對(duì)出現(xiàn)的問題根源進(jìn)行深入分析和實(shí)驗(yàn)，提出可能的解決方案再應(yīng)用于生產(chǎn)，從而形成研發(fā)和生產(chǎn)良好的反饋互動(dòng)。成品率、優(yōu)品率問題的提出完全源自企業(yè)研發(fā)的視角，此時(shí)整個(gè)SiC全鏈條研發(fā)小生態(tài)的重點(diǎn)已經(jīng)從實(shí)驗(yàn)室追求新奇的科學(xué)視角轉(zhuǎn)移到滿足市場(chǎng)需求的視角。天科合達(dá)公司現(xiàn)任常務(wù)副總經(jīng)理、技術(shù)總監(jiān)和生產(chǎn)總監(jiān)，是陳小龍研究組的畢業(yè)生，具有企業(yè)家精神的研究生的培養(yǎng)和輸出，對(duì)于全鏈條科技創(chuàng)新模式的實(shí)現(xiàn)非常重要。
碳化硅制成的鉆戒
2006—2016年，物理所團(tuán)隊(duì)堅(jiān)持基礎(chǔ)研究，又先后在SiC晶體生長相關(guān)方面取得了24項(xiàng)專利。2019年底上述專利全部轉(zhuǎn)讓至天科合達(dá)公司，為其后續(xù)發(fā)展注入了新的動(dòng)力。在SiC全鏈條科技創(chuàng)新中，新技術(shù)在研究所與企業(yè)共同構(gòu)建的小生態(tài)內(nèi)不斷地閉環(huán)迭代。
截至2020年1月31日，我國科創(chuàng)板申報(bào)企業(yè)累計(jì)209家，其中92家獲得審核通過，平均上市周期為13.68年。這92家科創(chuàng)板企業(yè)中，上市周期(公司注冊(cè)到上市的時(shí)間)20年以上的達(dá)6家，占7%;15—20年的23家，占25%;10—15年的36家，占39%;5—10年的27家，占29%。天科合達(dá)公司從2006年設(shè)立到2017年公司實(shí)現(xiàn)首次盈利經(jīng)歷了11年時(shí)間。2019年底，天科合達(dá)公司成為國內(nèi)和亞洲地區(qū)最大的SiC供應(yīng)商之一。
碳化硅晶元
比較而言，等到企業(yè)再成熟，這個(gè)周期將是一個(gè)接近平均周期13.68年的結(jié)果。當(dāng)然與巨磁阻存儲(chǔ)、光纖通信、藍(lán)光LED和鋰離子電池等相比，整個(gè)SiC半導(dǎo)體行業(yè)的應(yīng)用廣度和深度還有很大差距，相比19—43年的周期也較短。但是，按全鏈條科技創(chuàng)新的模式統(tǒng)計(jì)，SiC研究的周期已達(dá)到了35年。
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