当碳化硅变成地摊货

碳(C)是元素周期表中第六号元素，在生活中比较常见，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，有自然界硬度最大的金刚石，也有质地非常柔软的石墨。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。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。碳与硅比较常见，那你有没有想过碳+硅是什么呢?

1、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?

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]

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。

2、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。

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。

3、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。

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。

4、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。

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。

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。