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当年高高在上的碳化硅是怎么变成「地摊货」的

作者:物理所宣传小组
本文转载自:中科院物理所(ID:cas-iop)

碳(C)是元素周期表中第六号元素,在生活中比较常见,最早的碳是在木炭中发现的。现代碳化学是由于煤、石油和天然气等作为燃料而逐渐发展起来的,并且碳也在有机化学中也扮演者重要角色。碳形成的物质性质差异很大,自然界硬度最大的物质—金刚石,是一种碳单质;而另外一种碳单质—石墨,质地却是非常柔软。[2]

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满眼钻石的小编

硅(Si)与碳处于周期表中的同一列,所以二者化学性质也相似。硅在自然界中主要以硅酸盐或二氧化硅的形式存在,储量丰富,地壳中的含量仅次于氧,排名第二。提取到纯度99%以上的硅单质开创了“信息时代”,硅制成的集成电路与晶体管等半导体器件的生产大大加速了信息化的进程,而二氧化硅制造的光纤更是将世界连接了一起。[3]

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硅芯片

碳与硅比较常见,那你有没有想过碳+硅是什么呢?

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疑问,什么是碳化硅

碳加硅会形成一种新的化合物—碳化硅(SiC),俗称金刚砂。碳化硅在自然界中很罕见,天然碳化硅晶体一般被称为莫桑石,1893年法国化学家亨利·莫瓦桑首先发现而命名。那这种物质有什么独特之处吗?

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自然界中的碳化硅

还记得高中学过的硬度表吗?莫斯以十种矿物的划痕硬度作为标准,定出十个硬度等级,其中将金刚石的硬度定为10,是该标准中最硬的矿石。碳化硅也属于超硬材料,硬度达到了9.25,略低于钻石。

1893年后,合成的碳化硅粉末开始大规模生产,用作机械的磨料。由于碳化硅熔点较高,也经常被用于高温、高压的环境中。总之,碳化硅本身够硬、抗热!

碳化硅又是一种具有很强商业性的半导体材料,一般工业用于电子元件等的碳化硅都是半导体级别。1907年发明了第一个碳化硅型的二极管,后来碳化硅也应用到蓝色LED的生产之中。甚至碳化硅还可用于生产石墨烯,因为它的化学性质促进了石墨烯在碳化硅纳米结构表面的生长。甚至还有一种极端生长石墨烯的办法就是在真空下,高温分解碳化硅。[4]

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碳化硅:终究我承受下了所有

人工合成的碳化硅价格大约是钻石的十分之一,因此被认为是钻石的良好替代品,也是一种廉价的装饰品;工业中用碳化硅多用在半导体、陶瓷等行业中,可以说碳化硅“上得厅堂,下得厨房”。

碳化硅(SiC)属于满足国家战略需求并符合国民经济建设发展所需要的关键材料。SiC 的研究链条很长,涉及基础科学和工程技术领域的问题,属于典型的全链条科技创新类研究。

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概念,全链条科技创新

科学技术是第一生产力。每一次工业革命都是由科学革命带来的知识结构革新而发生的,最终实现技术在社会上的广泛应用。

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光纤传播信息

例如,信息技术革命的发展就是由晶体管、巨磁阻(GMR)存储、光纤、液晶等全链条科技创新的实现和不断迭代构建起来的。全链条科技创新涉及科研机构、企业、政府乃至整个社会,目标是要形成自主关键核心技术,乃至形成技术标准体系。

全链条科技创新的能力及效率是衡量创新型社会生态的重要标准,周期越短意味着整合创新资源的能力越强、效率越高。

为早日实现更多的“中国创造”,整合创新资源、营造创新生态并提高效率尤为重要。从趋势来看,全链条科技创新的前半段主要是基础研究(绝大多数还是分散在科研院所和大学等机构),目标清晰之后转移到以企业为主的开发载体上去。

所以物理所在很多科研难点上早早布局,争取在全链条科技创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。

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启动,物理所碳化硅基础研究

1997 年,中科院物理所正式布局 SiC 晶体研究,由陈小龙研究员牵头。当时相关文献不多,技术细节更是一无所知,但依据晶体学和相图方面的基础,陈小龙率领晶体生长课题组从以激光晶体为主转向以 SiC 晶体生长为主的研究工作。当时,很多先进技术都被发达国家垄断,对我国实行严格的技术保密和封锁,甚至产品禁运,而 SiC 晶体也在其列。所以可想而知当时遇到的困难有多大。

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物理所M楼

1999 年,陈小龙任晶体生长研究组组长,对 SiC 晶体生长进行了大量系统的研究。作为目前世界最大的 SiC 材料和器件供应商,美国 CREE 公司从 20 世纪 80 年代初就开展了 SiC 材料的研究。相比而言,物理所开始 SiC 晶体研究的时间晚了 10 余年,但在国内而言还是属于较早的。

陈小龙带领研究组突破了关键的扩晶技术,成功生长出了高质量的 2 英寸 4H 和 6H 晶型的 SiC 单晶。通过团队长周期的基础研究,最终攻克了 SiC 单晶生长中的种种难题。此外,研究团队在 SiC 材料新效应、新物性方面也开展了大量基础研究,包括 SiC 中的掺杂和缺陷在诱导本征磁性起源中的作用、通过缺陷工程调控半导体磁性、4H SiC 晶体的非线性光学效应、利用 SiC 制备大面积高质量的石墨烯及 SiC/石墨烯复合材料,并将 SiC 的应用扩展到了光催化领域。

目前,物理所在 SiC 晶体领域的研究成果已获授权中国发明专利 21 项、PCT(专利合作条约)国际专利 6 项,参与起草 SiC 晶体相关国家标准并已实施 3 项,在国际学术刊物上发表论文 30 余篇。

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升级,物理所碳化硅的产业之路

为实现 SiC 晶体的产业化,2006 年 9 月物理所以 SiC 晶体生长相关专利技术出资成立了北京天科合达蓝光半导体有限公司(以下简称“天科合达公司”),在国内率先开始 SiC 晶体产业化工作。2012 年,公司开始量产 4 英寸 SiC 晶体,2018 年开始量产 6 英寸 SiC 晶体。

在这个过程中,物理所与天科合达公司之间形成了闭环的全链条研发小生态,双方共同承担各类科技项目 10 项,研发经费达到了约 2.1 亿元人民币。这种小生态不仅有利于产学研合作研发和解决技术难题,而且可以弥补初创企业研发投入能力的不足。

SiC 晶体产业化是一个漫长的过程,其中如何提高成品率、优品率及达到即开即用是面临的至关重要的攻关难题。天科合达公司在生产中碰到的技术和工艺问题时,同步反馈到物理所。物理所相关研究团队投入力量从基础研究角度对出现的问题根源进行深入分析和实验,提出可能的解决方案再应用于生产,从而形成研发和生产良好的反馈互动。成品率、优品率问题的提出完全源自企业研发的视角,此时整个 SiC 全链条研发小生态的重点已经从实验室追求新奇的科学视角转移到满足市场需求的视角。天科合达公司现任常务副总经理、技术总监和生产总监,是陈小龙研究组的毕业生,具有企业家精神的研究生的培养和输出,对于全链条科技创新模式的实现非常重要。

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碳化硅制成的钻戒

2006—2016 年,物理所团队坚持基础研究,又先后在 SiC 晶体生长相关方面取得了 24 项专利。2019 年底上述专利全部转让至天科合达公司,为其后续发展注入了新的动力。在 SiC 全链条科技创新中,新技术在研究所与企业共同构建的小生态内不断地闭环迭代。

截至 2020 年 1 月31日,我国科创板申报企业累计 209 家,其中 92 家获得审核通过,平均上市周期为 13.68 年。这 92 家科创板企业中,上市周期(公司注册到上市的时间)20 年以上的达 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%。天科合达公司从 2006 年设立到 2017 年公司实现首次盈利经历了 11 年时间。2019 年底,天科合达公司成为国内和亚洲地区最大的 SiC 供应商之一。

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碳化硅晶元

比较而言,等到企业再成熟,这个周期将是一个接近平均周期 13.68 年的结果。当然与巨磁阻存储、光纤通信、蓝光LED和锂离子电池等相比,整个 SiC 半导体行业的应用广度和深度还有很大差距,相比 19—43 年的周期也较短。但是,按全链条科技创新的模式统计,SiC 研究的周期已达到了 35 年。

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启示,国立研究机构的创新

综上所述,无论科技创新和推广创新采取怎样的范式进步,最终都会体现在全链条科技创新的效率上。效率越高,周期越短。

如果能够充分调动科学家和企业家这两类创新主体发挥主观能动性,实现无缝融合,就能有效缩短周期。所以碳化硅的产业之路也为国立科研机构参与全链条科技创新带来了许多启示:

1.全链条科技创新的过程很长,要完成从科学研究到市场推广的全过程,需要适应从科研文化向市场标准的转变

2.就现阶段而言,由于全链条科技创新壁垒高、风险大、周期长,尤其涉及前期的基础研究和应用基础研究,国立研究机构需继续发挥重要作用

3.对于国立研究机构中已经有明显应用导向的研究单元,需要更积极地适应市场生态,这些研究单元内的研究生教育要强调企业家精神的培养

参考文献:

1.《文亚:全链条科技创新周期初探——以中国科学院物理研究所碳化硅研究为例

2.Carbon-wiki

3.Facts About Silicon-livescience

4.Silicon carbide-ENCYCLOPÆDIA BRITANNICA

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