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    1. 新聞詳情

      NEWS DETAIL

      當年高高在上的碳化硅是怎么變成「地攤貨」的

      日期:2020-06-16 13:55:52

      碳(C)是元素周期表中第六號元素,在生活中比較常見,最早的碳是在木炭中發現的?,F代碳化學是由于煤、石油和天然氣等作為燃料而逐漸發展起來的,并且碳也在有機化學中也扮演者重要角色。碳形成的物質性質差異很大,自然界硬度最大的物質—金剛石,是一種碳單質;而另外一種碳單質—石墨,質地卻是非常柔軟。

      滿眼鉆石的小編

      硅(Si)與碳處于周期表中的同一列,所以二者化學性質也相似。硅在自然界中主要以硅酸鹽或二氧化硅的形式存在,儲量豐富,地殼中的含量僅次于氧,排名第二。提取到純度99%以上的硅單質開創了“信息時代”,硅制成的集成電路與晶體管等半導體器件的生產大大加速了信息化的進程,而二氧化硅制造的光纖更是將世界連接了一起。[3]

      硅芯片

      碳與硅比較常見,那你有沒有想過碳+硅是什么呢?

      1:疑問,什么是碳化硅

      碳加硅會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年法國化學家亨利·莫瓦桑首先發現而命名。那這種物質有什么獨特之處嗎?

      自然界中的碳化硅

      還記得高中學過的硬度表嗎?莫斯以十種礦物的劃痕硬度作為標準,定出十個硬度等級,其中將金剛石的硬度定為10,是該標準中最硬的礦石。碳化硅也屬于超硬材料,硬度達到了9.25,略低于鉆石。

      1893年后,合成的碳化硅粉末開始大規模生產,用作機械的磨料。由于碳化硅熔點較高,也經常被用于高溫、高壓的環境中??傊?,碳化硅本身夠硬、抗熱!

      碳化硅又是一種具有很強商業性的半導體材料,一般工業用于電子元件等的碳化硅都是半導體級別。1907年發明了第一個碳化硅型的二極管,后來碳化硅也應用到藍色LED的生產之中。甚至碳化硅還可用于生產石墨烯,因為它的化學性質促進了石墨烯在碳化硅納米結構表面的生長。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]

      碳化硅:終究我承受下了所有

      人工合成的碳化硅價格大約是鉆石的十分之一,因此被認為是鉆石的良好替代品,也是一種廉價的裝飾品;工業中用碳化硅多用在半導體、陶瓷等行業中,可以說碳化硅“上得廳堂,下得廚房”。

      碳化硅(SiC)屬于滿足國家戰略需求并符合國民經濟建設發展所需要的關鍵材料。SiC 的研究鏈條很長,涉及基礎科學和工程技術領域的問題,屬于典型的全鏈條科技創新類研究。

      2:概念,全鏈條科技創新

      科學技術是第一生產力。每一次工業革命都是由科學革命帶來的知識結構革新而發生的,最終實現技術在社會上的廣泛應用。

      光纖傳播信息

      例如,信息技術革命的發展就是由晶體管、巨磁阻(GMR)存儲、光纖、液晶等全鏈條科技創新的實現和不斷迭代構建起來的。全鏈條科技創新涉及科研機構、企業、政府乃至整個社會,目標是要形成自主關鍵核心技術,乃至形成技術標準體系。

      全鏈條科技創新的能力及效率是衡量創新型社會生態的重要標準,周期越短意味著整合創新資源的能力越強、效率越高。

      為早日實現更多的“中國創造”,整合創新資源、營造創新生態并提高效率尤為重要。從趨勢來看,全鏈條科技創新的前半段主要是基礎研究(絕大多數還是分散在科研院所和大學等機構),目標清晰之后轉移到以企業為主的開發載體上去。

      所以物理所在很多科研難點上早早布局,爭取在全鏈條科技創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:啟動,物理所碳化硅基礎研究

      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。當時相關文獻不多,技術細節更是一無所知,但依據晶體學和相圖方面的基礎,陳小龍率領晶體生長課題組從以激光晶體為主轉向以 SiC 晶體生長為主的研究工作。當時,很多先進技術都被發達國家壟斷,對我國實行嚴格的技術保密和封鎖,甚至產品禁運,而 SiC 晶體也在其列。所以可想而知當時遇到的困難有多大。

      物理所M樓

      1999 年,陳小龍任晶體生長研究組組長,對 SiC 晶體生長進行了大量系統的研究。作為目前世界最大的 SiC 材料和器件供應商,美國 CREE 公司從 20 世紀 80 年代初就開展了 SiC 材料的研究。相比而言,物理所開始 SiC 晶體研究的時間晚了 10 余年,但在國內而言還是屬于較早的。

      陳小龍帶領研究組突破了關鍵的擴晶技術,成功生長出了高質量的 2 英寸 4H 和 6H 晶型的 SiC 單晶。通過團隊長周期的基礎研究,最終攻克了 SiC 單晶生長中的種種難題。此外,研究團隊在 SiC 材料新效應、新物性方面也開展了大量基礎研究,包括 SiC 中的摻雜和缺陷在誘導本征磁性起源中的作用、通過缺陷工程調控半導體磁性、4H SiC 晶體的非線性光學效應、利用 SiC 制備大面積高質量的石墨烯及 SiC/石墨烯復合材料,并將 SiC 的應用擴展到了光催化領域。

      目前,物理所在 SiC 晶體領域的研究成果已獲授權中國發明專利 21 項、PCT(專利合作條約)國際專利 6 項,參與起草 SiC 晶體相關國家標準并已實施 3 項,在國際學術刊物上發表論文 30 余篇。

      4:升級,物理所碳化硅的產業之路

      為實現 SiC 晶體的產業化,2006 年 9 月物理所以 SiC 晶體生長相關專利技術出資成立了北京天科合達藍光半導體有限公司(以下簡稱“天科合達公司”),在國內率先開始 SiC 晶體產業化工作。2012 年,公司開始量產 4 英寸 SiC 晶體,2018 年開始量產 6 英寸 SiC 晶體。

      在這個過程中,物理所與天科合達公司之間形成了閉環的全鏈條研發小生態,雙方共同承擔各類科技項目 10 項,研發經費達到了約 2.1 億元人民幣。這種小生態不僅有利于產學研合作研發和解決技術難題,而且可以彌補初創企業研發投入能力的不足。

      SiC 晶體產業化是一個漫長的過程,其中如何提高成品率、優品率及達到即開即用是面臨的至關重要的攻關難題。天科合達公司在生產中碰到的技術和工藝問題時,同步反饋到物理所。物理所相關研究團隊投入力量從基礎研究角度對出現的問題根源進行深入分析和實驗,提出可能的解決方案再應用于生產,從而形成研發和生產良好的反饋互動。成品率、優品率問題的提出完全源自企業研發的視角,此時整個 SiC 全鏈條研發小生態的重點已經從實驗室追求新奇的科學視角轉移到滿足市場需求的視角。天科合達公司現任常務副總經理、技術總監和生產總監,是陳小龍研究組的畢業生,具有企業家精神的研究生的培養和輸出,對于全鏈條科技創新模式的實現非常重要。

      碳化硅制成的鉆戒

      2006—2016 年,物理所團隊堅持基礎研究,又先后在 SiC 晶體生長相關方面取得了 24 項專利。2019 年底上述專利全部轉讓至天科合達公司,為其后續發展注入了新的動力。在 SiC 全鏈條科技創新中,新技術在研究所與企業共同構建的小生態內不斷地閉環迭代。

      截至 2020 年 1 月31日,我國科創板申報企業累計 209 家,其中 92 家獲得審核通過,平均上市周期為 13.68 年。這 92 家科創板企業中,上市周期(公司注冊到上市的時間)20 年以上的達 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%。天科合達公司從 2006 年設立到 2017 年公司實現首次盈利經歷了 11 年時間。2019 年底,天科合達公司成為國內和亞洲地區最大的 SiC 供應商之一。

      碳化硅晶元

      比較而言,等到企業再成熟,這個周期將是一個接近平均周期 13.68 年的結果。當然與巨磁阻存儲、光纖通信、藍光LED和鋰離子電池等相比,整個 SiC 半導體行業的應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,按全鏈條科技創新的模式統計,SiC 研究的周期已達到了 35 年。

      5:啟示,國立研究機構的創新

      綜上所述,無論科技創新和推廣創新采取怎樣的范式進步,最終都會體現在全鏈條科技創新的效率上。效率越高,周期越短。

      如果能夠充分調動科學家和企業家這兩類創新主體發揮主觀能動性,實現無縫融合,就能有效縮短周期。所以碳化硅的產業之路也為國立科研機構參與全鏈條科技創新帶來了許多啟示:

      1.全鏈條科技創新的過程很長,要完成從科學研究到市場推廣的全過程,需要適應從科研文化向市場標準的轉變

      2.就現階段而言,由于全鏈條科技創新壁壘高、風險大、周期長,尤其涉及前期的基礎研究和應用基礎研究,國立研究機構需繼續發揮重要作用

      3.對于國立研究機構中已經有明顯應用導向的研究單元,需要更積極地適應市場生態,這些研究單元內的研究生教育要強調企業家精神的培養

      來源:中國科學院物理研究所

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