北大物理學教授沈波:深耕半導體三十年

2018年度國家科學技術(shù)獎在京揭曉，北京大學物理學院沈波教授團隊的成果“氮化物半導體大失配異質(zhì)外延技術(shù)”獲得國家技術(shù)發(fā)明獎二等獎。沈波教授接受了本報記者的采訪，講述了他與半導體結(jié)緣30多年的故事。

“氮化物半導體，是一種寬禁帶半導體，它是一種人工（合成）材料，在自然界是沒有的。它的主要制備方法是外延生長在藍寶石、硅等別的襯底材料上，晶格失配和熱失配非常大。所以怎樣克服大失配，得到高質(zhì)量的氮化物半導體材料，是我們研究的核心問題?！鄙虿ㄩ_門見山對他的研究進行了介紹。

“解決這個問題要從兩個方面著手，第一個是襯底，一般稱之為襯底工程，雖然都是藍寶石襯底，但是可以通過在襯底表面做各種各樣的新型微納結(jié)構(gòu)，促進高質(zhì)量氮化物半導體的制備。第二個就是外延生長，要不斷發(fā)展提升氮化物半導體外延質(zhì)量和光電性質(zhì)的新方法。因為我們團隊在這兩個方面有一些創(chuàng)新，比較好地解決了襯底和氮化鎵失配的問題，制備的材料有部分指標在國際上是領(lǐng)先的?！鄙虿ㄕf這次獲獎是集體的榮譽，他要借此機會感謝學校各級領(lǐng)導、兄弟學院同仁，以及物理學院、人工微結(jié)構(gòu)和介觀物理國家重點實驗室對北大寬禁帶半導體研究中心和研究團隊的長期支持，還要感謝寬禁帶半導體研究中心全體成員，特別是中心創(chuàng)建者甘子釗院士、張國義教授對他工作的長期支持。

康凱、沈波、童玉珍和王新強（從左至右）在國家獎頒獎現(xiàn)場

沈波教授（前排右二）和研究生在未名湖畔

“這才是見硬功夫的地方”

沈波團隊研究的氮化物半導體，有兩個非常重要的特征，“第一個是寬禁帶，如果做光電器件，寬禁帶就表示發(fā)光的波長更短，能量更高，比如藍光和紫外發(fā)光二極管（LED）；第二個特征是它有非常強的極化效應(yīng)，做出來的電子器件功率密度很大，如果用來做雷達的收發(fā)模塊，功率密度大，探測距離就遠。美國在韓國部署的薩德反導系統(tǒng)就使用了氮化鎵模塊，可以探測上千公里，中國許多地區(qū)也在其探測范圍之內(nèi)，所以引起了‘薩德危機’”。

2018年美國制裁中興公司事件中，中興公司如此被動的原因就在于缺乏強大的半導體芯片技術(shù)，主要是硅集成電路芯片，也包括氮化物半導體的一些芯片。第五代移動通信網(wǎng)絡(luò)（5G）的微波基站，其微波功放模塊是用氮化鎵做的。

寬禁帶半導體在軍工和民用領(lǐng)域都有很多應(yīng)用，是各國高技術(shù)競爭的主要領(lǐng)域之一。在寬禁帶半導體核心技術(shù)上，中國一直面臨美國的限制，最近的限制更多了?！安糠謱捊麕О雽w材料、器件和制備裝備現(xiàn)在美國已開始對我國禁運，為了一些實驗的需要，想買點氮化鋁（AlN）材料回來做對比，都買不到。另外我們許多儀器設(shè)備都是進口的，一些關(guān)鍵零部件的進口也受到限制?！?/p>

沈波認為，限制背后也是機遇，“原來大家都愿意買進口的設(shè)備，因為擔心國產(chǎn)的質(zhì)量。國產(chǎn)設(shè)備現(xiàn)在不如進口設(shè)備好，但是你不買它、不用它，它永遠都不會好。如今國外的買不著了，也就只能買國產(chǎn)的，國產(chǎn)設(shè)備市場變好，技術(shù)水平也就不斷提升，再過5年，我們的國產(chǎn)設(shè)備就能發(fā)展起來”。

除此之外，美國對中國半導體技術(shù)的限制，也讓中國意識到半導體技術(shù)的戰(zhàn)略地位。沈波說道：“在過去很長一段時間內(nèi)，大家都比較關(guān)心系統(tǒng)應(yīng)用方面，比如互聯(lián)網(wǎng)、高鐵、大飛機，不太關(guān)注到高鐵、飛機的關(guān)鍵零部件都是進口的，其中就包括半導體芯片。中興事件讓我國政府和老百姓意識到在這些最核心的技術(shù)上，我們離西方還有相當?shù)木嚯x。現(xiàn)在大家不是問國家要不要做這件事情，更多的是討論怎么做，這對我們是有利的?，F(xiàn)在國家上上下下都意識到，半導體就像上世紀50年代的鋼鐵一樣，是一個國家發(fā)展最核心的東西之一。這才是見硬功夫的地方。”

校企合作共贏

在這次獲獎項目的完成人當中，除了北大的老師，還有東莞兩家公司的代表，分別是東莞中鎵半導體科技有限公司（成立于2009年）、東莞中圖半導體科技有限公司（成立于2013年）。這一次獲獎的技術(shù)，也已經(jīng)投入到兩家公司的生產(chǎn)中。

“這兩個公司跟北大都很有淵源。2009年，在甘子釗、張國義老師組織領(lǐng)導下，北大寬禁帶半導體研究中心的研究成果與東莞企業(yè)家的投資相結(jié)合，創(chuàng)立了中鎵半導體科技有限公司，把北大氮化物半導體的研究成果在廣東做產(chǎn)業(yè)化轉(zhuǎn)移。2013年，中鎵公司又把發(fā)展得很好的藍寶石圖形化襯底業(yè)務(wù)單獨拿出來，成立了中圖半導體科技有限公司。這兩家公司的技術(shù)支撐都來源于北大，一直以來跟我們有非常緊密的合作?！?/p>

對于大學和企業(yè)之間的合作，最重要的是雙方的核心訴求要契合。對企業(yè)來說，最關(guān)注的就是大學的研究成果對企業(yè)產(chǎn)品研發(fā)和生產(chǎn)的幫助。對大學來說，研發(fā)是核心使命，通過研發(fā)成果的產(chǎn)業(yè)化推廣既可彰顯成果的價值，也可獲得更多的研發(fā)資源。從實驗室的研究成果到企業(yè)有競爭力的產(chǎn)品，需要經(jīng)過長時間的中試，不僅需要大學的研發(fā)能力，還需要企業(yè)在人力物力上的大量投入，因此需要大學和企業(yè)長時間的緊密合作來共同完成。

美國等發(fā)達國家為了搶占寬禁帶半導體技術(shù)的戰(zhàn)略制高點，通過國家級創(chuàng)新中心等形式，把企業(yè)、高校、研究機構(gòu)及相關(guān)政府部門等有機地聯(lián)合在一起。在這方面，中國也行動起來了。2015年，寬禁帶半導體相關(guān)的科研機構(gòu)、大專院校、龍頭企業(yè)發(fā)起籌建我國的“第三代半導體產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟”，其中北大是副理事長單位。

沈波說，這個產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟的作用不可小覷?！斑@個聯(lián)盟，它有三方面的作用，第一是促進行業(yè)內(nèi)企業(yè)的協(xié)調(diào)發(fā)展。第二是促進產(chǎn)業(yè)界和學術(shù)界的合作。通過這個平臺，我們可以了解到產(chǎn)業(yè)界的需求是什么，也讓產(chǎn)業(yè)界知道我們大學、研究機構(gòu)都在做哪些事情，哪些技術(shù)在生產(chǎn)中可以用上。第三就是協(xié)調(diào)政府和研究機構(gòu)、企業(yè)的交流，可以把學術(shù)界和企業(yè)的聲音，反映給政府相關(guān)部門，如科技部、工信部等，政府在制定寬禁帶半導體行業(yè)的五年規(guī)劃時，會參考聯(lián)盟成員的意見?！?/p>

一劍磨十年

沈波的人生道路和中國半導體的發(fā)展緊密結(jié)合在一起。他1985年從南京大學物理系半導體物理專業(yè)畢業(yè)后，在中國科學技術(shù)大學攻讀半導體物理專業(yè)研究生，再到日本留學，獲得半導體材料專業(yè)博士學位后回國任教，一直沒離開過半導體。

談及與半導體的緣分，沈波戲稱自己和半導體之間屬于“先結(jié)婚后戀愛”的關(guān)系，一開始是被動地進入這個專業(yè)，后來才逐漸喜歡上，“一輩子就做這件事情”。沈波回憶道：“我上大學之前，不知道大學里物理系是干什么的。因為我的高中班主任是物理老師，他覺得我物理學得不錯，我就報了南京大學物理系，大學分專業(yè)時我的志愿是南大物理系最強的晶體專業(yè)，但把我分到了半導體專業(yè)，我就被動地進了這個領(lǐng)域?！?/p>

對于沈波來說，氮化物寬禁帶半導體的研究，“一方面在科學上有足夠的空間進行探索，有大量的物理問題需要通過研究去解答。另一方面，半導體作為一個事關(guān)國計民生的核心技術(shù)對國家是非常重要的，它在民用技術(shù)和軍用國防上都有很高的應(yīng)用價值”。

沈波的博士學位是1995年在日本東北大學材料科學研究所獲得的。談及當初為什么選擇回國，沈波說，這是一個順理成章的選擇?！爱斈晡冶臼悄暇┐髮W公派出國的訪問學者，在此期間，我獲得了攻讀博士的機會，南大也同意了。等我博士畢業(yè)，就沒有任何理由再待在國外，于是我就回來了。如今24年過去了，事實證明回國是對的。當時跟我一起出國的，也有不少人沒回來，這么多年下來，個人發(fā)展不一定比國內(nèi)好。雖然剛回國那幾年科研條件比較艱苦，但是國家對歸國青年人才非常重視，讓你挑大梁，很鍛煉人。最近十多年來，科研人員的待遇、科研條件都得到了大幅度改善，我對自己的生活條件和工作條件都非常滿意?！?/p>

中國的寬禁帶半導體研究起步較晚，前期可投入的資源較少，而半導體研究儀器設(shè)備動輒上百萬美元，“上世紀90年代我剛回國的時候，我們的實驗條件跟國外比起來差距確實很大?？墒亲罱?，中國在科研經(jīng)費上的投入大幅增加，我的日本朋友經(jīng)常會來北大訪問，他們就覺得我們現(xiàn)在實驗室的儀器設(shè)備條件，跟日本的大學已經(jīng)沒太大差別，加上中國對人才的高度重視，我們確實縮小了和美國、日本等發(fā)達國家的差距。在少數(shù)技術(shù)點上，我們已經(jīng)處在國際前列”。2018年我國整個半導體照明的產(chǎn)業(yè)規(guī)模約7500億元，是世界上規(guī)模最大的半導體照明產(chǎn)業(yè)，也是我們國家最近十多年來高新技術(shù)發(fā)展的典型案例之一。

說到研發(fā)過程中的困難，沈波笑著說：“各種各樣的困難總是存在的，所以我們的年輕教師和研究生都很辛苦，每天都要工作很長時間，寒暑假大部分時間也都在工作。大家的目標就是克服困難，把氮化物半導體這件事情做好，趕超世界科技強國，滿足國家對氮化物半導體的需求。任何事情你只要堅持往前做，總能把它做好?！?/p>

沈波提到，在大學里做研究，特別是應(yīng)用基礎(chǔ)和高技術(shù)研究，還是存在一些不適應(yīng)的狀況?！耙驗槲覀兇髮W這么多年擅長做基礎(chǔ)研究，在管理上和觀念上對發(fā)展應(yīng)用基礎(chǔ)和高技術(shù)研究有些不適應(yīng)。比如半導體實驗室研究的東西以納米或者微米為尺度，必須在一個恒溫恒濕的超凈室里做，實驗室內(nèi)的儀器要保持非常潔凈的狀態(tài)，所以它是不能斷電的。美國、日本從事這樣研究的實驗大樓都是雙電路安排，從來不會斷電。而我們物理大樓在寒暑假期間，經(jīng)常會停電檢修，平時也偶爾會斷電。為了一次停電，我們要做許多準備工作，要耽擱好幾天時間，儀器狀態(tài)和潔凈條件都會受到影響。其實北京大學不僅是一個培養(yǎng)人才和做基礎(chǔ)研究的著名學府，它還是我國非常重要的應(yīng)用基礎(chǔ)和高技術(shù)研究基地，學校在管理上和觀念上要適應(yīng)這種變化，一些制度上的安排要跟上。北大的核心競爭力是由一個個從事基礎(chǔ)研究、應(yīng)用基礎(chǔ)研究和高技術(shù)研究的課題組構(gòu)成的，每個學院都有若干個這樣的課題組，這一個個課題組加起來構(gòu)成了北大趕超世界科學前沿、滿足國家重大需求的核心競爭力?！?/p>

這次獲獎，用沈波自己的話來講，就是“一劍磨十年”，是厚積薄發(fā)的過程。從他2004年到北大，他一直在做氮化物半導體研究，至今已經(jīng)過了15年，這個獎也被他視作這15年工作總結(jié)的一部分。“我這輩子從上大學開始就學半導體，1995年起做氮化鎵，看來一輩子就做半導體這件事情了。但真的沉浸到里面，你會發(fā)現(xiàn)其中的事情是做不完的，永遠有好多事情等著你去做?！鄙虿ㄕf。