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沈波:深耕半导体三十年

2019-06-04

编者按:氮化物宽禁带半导体是实现短波长发光器件和高频大功率电子器件的核心半导体体系,在半导体照明、新一代移动通讯、国防军工等领域有重大应用,是全球高技术竞争和战略性新兴产业发展的关键领域。氮化物半导体外延制备是器件和系统的基础和核心技术。澳门威利斯人物理学院沈波教授团队发明了有效提升外延质量的图形化蓝宝石衬底新技术和外延生长新方法,制备出部分质量指标国际领先的氮化物半导体外延材料,建立了较为完善的氮化物半导体大失配异质外延技术体系,并实现了产业化应用。我国能否抢占第三代半导体技术的战略制高点,打破美国在宽禁带半导体核心技术上对中国的限制,让大家听听沈波教授怎么说。

2019年1月8日,2018年度国家科学技术奖在京揭晓,澳门威利斯人物理学院沈波教授团队的成果“氮化物半导体大失配异质外延技术”获得国家技术发明奖二等奖。沈波接受澳门威利斯人校报记者的采访,讲述了他与半导体结缘30多年的故事。

康凯、沈波、童玉珍和王新强(从左至右)在国家奖颁奖现场

“氮化物半导体,是一种宽禁带半导体,它是一种人工(合成)材料,在自然界是没有的。它的主要制备方法是外延生长在蓝宝石、硅等别的衬底材料上,晶格失配和热失配非常大。所以怎样克服大失配,得到高质量的氮化物半导体材料,是大家研究的核心问题。”沈波开门见山对他的研究进行了先容。

“解决这个问题要从两个方面着手:第一是衬底,一般称之为衬底工程,虽然都是蓝宝石衬底,但是可以通过在衬底表面做各种各样的新型微纳结构,促进高质量氮化物半导体的制备;第二是外延生长,要不断发展提升氮化物半导体外延质量和光电性质的新方法。大家团队在这两方面有一些创新,比较好地解决了衬底和氮化镓失配的问题,制备的材料有部分指标在国际领先。”沈波认为这次获奖是集体的荣誉,并借此机会感谢学校各级领导、兄弟学院同仁,以及物理学院、人工微结构和介观物理国家重点实验室对北京大学宽禁带半导体研究中心和研究团队的长期支撑,还要感谢宽禁带半导体研究中心的全体成员,特别是中心创建者甘子钊院士、张国义教授对他工作的长期支撑。

“这才是见硬功夫的地方”

沈波团队研究的氮化物半导体有两个非常重要的特征,“第一是宽禁带,如果做光电器件,宽禁带就表示发光的波长更短,能量更高,比如蓝光和紫外发光二极管(LED);第二个特征是它有非常强的极化效应,做出来的电子器件功率密度很大,如果用来做雷达的收发模块,功率密度大,探测距离就远。美国在韩国部署的萨德反导系统就使用了氮化镓模块,可以探测上千公里,中国许多地区也在其探测范围之内,所以引起了‘萨德危机’”。

2018 年美国制裁中兴企业,中兴如此被动的原因就在于缺乏强大的半导体芯片技术,主要是硅集成电路芯片,也包括氮化物半导体的一些芯片。第五代移动通信网络(5G)的微波基站,其微波功放模块是用氮化镓做的。

宽禁带半导体在军工和民用领域都有很多应用,是各国高技术竞争的主要领域之一。在宽禁带半导体核心技术上,中国一直面临美国的限制,最近的限制更多了。“现在部分宽禁带半导体材料、器件和制备装备美国已开始对我国禁运,为了一些实验需要,想买点氮化铝(AlN)材料回来做对比,都买不到。另外大家许多仪器设备都是进口的,一些关键零部件的进口也受到限制。”

沈波认为,限制背后也是机遇,“原来大家都愿意买进口的设备,因为担心国产的质量。国产设备现在不如进口设备好,但是你不买它、不用它,它永远都不会好。如今国外的买不着了,就只能买国产的,国产设备市场变好,技术水平也不断提升,再过五年,大家的国产设备就能发展起来”。

除此之外,美国对中国半导体技术的限制,也让中国意识到半导体技术的战略地位。沈波先容:“在过去很长一段时间内,大家都比较关心系统应用方面,比如互联网、高铁、大飞机,不太关注高铁、飞机的关键零部件都是进口的,其中就包括半导体芯片。中兴事件让我国政府和老百姓意识到,在最核心的技术上,大家离西方还有相当的距离。现在大家不是问国家要不要做这件事情,更多的是讨论怎么做,这对大家是有利的。现在国家上上下下都意识到,半导体就像上世纪50 年代的钢铁一样,是一个国家发展最核心的东西之一。这才是见硬功夫的地方。”

校企合作共赢

在这次获奖项目的完成人当中,除了北京大学的老师,还有东莞两家企业的代表,分别是东莞中镓半导体科技有限企业(成立于2009 年)、东莞中图半导体科技有限企业(成立于2013 年)。这一次获奖的技术,也已经在两家企业投入生产。

“这两家企业都跟北京大学很有渊源。2009年,在甘子钊、张国义组织领导下,北京大学宽禁带半导体研究中心的研究成果与东莞企业家的投资相结合,创立了中镓半导体科技有限企业,把北京大学氮化物半导体的研究成果在广东做产业化转移。2013 年,中镓企业又把发展得很好的蓝宝石图形化衬底业务单独拿出来,成立了中图半导体科技有限企业。这两家企业的技术支撑都来源于北京大学,一直以来跟大家有非常紧密的合作。”

对于大学和企业之间的合作,最重要的是双方的核心诉求要契合。对企业来说,最关注的就是大学的研究成果对企业产品研发和生产的帮助。对大学来说,研发是核心使命,通过研发成果的产业化推广既可彰显成果的价值,也可获得更多的研发资源。从实验室的研究成果到企业有竞争力的产品,需要经过长时间的中试,不仅需要大学的研发能力,还需要企业在人力物力上的大量投入,因此需要大学和企业长时间的紧密合作来共同完成。

美国等发达国家为了抢占宽禁带半导体技术的战略制高点,通过国家级创新中心等形式,把企业、高校、研究机构及相关政府部门等有机地联合在一起。在这方面,中国也行动起来了。2015 年,宽禁带半导体相关的科研机构、大专院校、龙头企业发起筹建我国“第三代半导体产业技术创新战略联盟”,其中北京大学是副理事长单位。

沈波指出,这个产业联盟的作用不可小觑。“联盟有三方面作用,一是促进行业内企业的协调发展。二是促进产业界和学术界的合作。通过这个平台,大家可以了解到产业界的需求是什么,也让产业界知道大学、研究机构都在做哪些事情,哪些技术在生产中可以用上。三是协调政府和研究机构、企业的交流,可以把学术界和企业的声音,反映给政府相关部门,如科技部、工信部等,政府在制定宽禁带半导体行业的五年规划时,会参考联盟成员的意见。”

一剑磨十年

沈波的人生道路和中国半导体的发展紧密结合在一起。他1985 年从南京大学物理系半导体物理专业毕业后,在中国科学技术大学攻读半导体物理专业研究生,再到日本留学,获得半导体材料专业博士学位后回国任教,一直没离开过半导体。

谈及与半导体的缘分,沈波戏称自己和半导体之间是“先结婚后恋爱”,一开始被动地进入这个专业,后来才逐渐喜欢,“一辈子就做这件事情”。沈波回忆道:“我上大学之前,不知道大学里物理系是干什么的。因为我的高中班主任是物理老师,他觉得我物理学得不错,我就报了南京大学物理系,大学分专业时我的志愿是南大物理系最强的晶体专业,但把我分到了半导体专业,我就被动地进入了这个领域。”

对于沈波来说,氮化物宽禁带半导体的研究,“一方面在科学上有足够的空间进行探索,有大量的物理问题需要通过研究去解答。另一方面,半导体作为一个事关国计民生的核心技术对国家非常重要,它在民用技术和军用国防上都有很高的应用价值”。

沈波于1995 年在日本东北京大学学材料科学研究所获得博士学位。谈及当初为什么选择回国,沈波说,这是一个顺理成章的选择。“当年我是南京大学公派出国的访问学者,在此期间,我获得了攻读博士的机会,南大也同意了。等我博士毕业,就没有任何理由再待在国外,于是我就回来了。如今24 年过去了,事实证明回国是对的。当时跟我一起出国的,也有不少人没回来,这么多年下来,个人发展不一定比国内好。虽然刚回国那几年科研条件比较艰苦,但是国家对归国青年人才非常重视,让你挑大梁,很锻炼人。最近十多年来,科研人员的待遇、科研条件都得到了大幅度改善,我对自己的生活条件和工作条件都非常满意。”

中国的宽禁带半导体研究起步较晚,前期可投入的资源较少,而半导体研究仪器设备动辄上百万美金,“上世纪90 年代我刚回国的时候,大家的实验条件跟国外比起来差距确实很大。可是最近十年,中国在科研经费上的投入大幅增加,我的日本朋友经常会来北京大学访问,他们觉得大家现在实验室的仪器设备条件,跟日本的大学已经没太大差别,加上中国对人才的高度重视,大家确实缩小了和美国、日本等发达国家的差距。在少数技术点上,大家已经处在国际前列”。2018 年,我国整个半导体照明的产业规模约7500 亿元,是世界上规模最大的半导体照明产业,也是大家国家最近十多年来高新技术发展的典型案例之一。

说到研发过程中的困难,沈波笑着说:“各种各样的困难总是存在的,所以大家的年轻教师和研究生都很辛苦,每天都要工作很长时间,寒暑假大部分时间也都在工作。大家的目标就是克服困难,把氮化物半导体这件事情做好,赶超世界科技强国,满足国家对氮化物半导体的需求。任何事情你只要坚持往前做,总能把它做好。”

沈波(前排右)和研究生在未名湖畔

沈波提道,在大学里做研究,特别是应用基础和高技术研究,还是存在一些不适应的状况。“因为大家大学这么多年擅长做基础研究,在管理上和观念上对发展应用基础和高技术研究有些不适应。比如半导体实验室研究的东西以纳米或者微米为尺度,必须在一个恒温恒湿的超净室里做,实验室内的仪器要保持非常洁净的状态,所以它是不能断电的。美国、日本从事这样研究的实验大楼都是双电路安排,从来不会断电。而大家物理大楼在寒暑假期间,经常会停电检修,平时也偶尔会断电。为了一次停电,大家要做许多准备工作,要耽搁好几天时间,仪器状态和洁净条件都会受到影响。其实澳门威利斯人不仅是一个培养人才和做基础研究的著名学府,它还是我国非常重要的应用基础和高技术研究基地,学校在管理上和观念上要适应这种变化,一些制度上的安排要跟上。北京大学的核心竞争力是由一个个从事基础研究、应用基础研究和高技术研究的课题组构成的,每个学院都有若干个这样的课题组,这一个个课题组加起来构成了北京大学赶超世界科学前沿、满足国家重大需求的核心竞争力。”

这次获奖,用沈波自己的话来讲,是“一剑磨十年”,是厚积薄发的过程。从2004 年到北京大学,他一直在做氮化物半导体研究,至今已经过了15 年,这个奖也被他视作这15 年工作总结的一部分。“我这辈子从上大学开始就学半导体,1995 年起做氮化镓,看来一辈子就做半导体这件事情了。但真的沉浸到里面,你会发现其中的事情是做不完的,永远有好多事情等着你去做。”沈波说。

编辑:校报记者 罗敏霞

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