2018年度國(guó)家科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)在京揭曉，北京大學(xué)物理學(xué)院沈波教授團(tuán)隊(duì)的成果“氮化物半導(dǎo)體大失配異質(zhì)外延技術(shù)”獲得國(guó)家技術(shù)發(fā)明獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)。沈波教授接受了本報(bào)記者的采訪，講述了他與半導(dǎo)體結(jié)緣30多年的故事。

“氮化物半導(dǎo)體，是一種寬禁帶半導(dǎo)體，它是一種人工（合成）材料，在自然界是沒(méi)有的。它的主要制備方法是外延生長(zhǎng)在藍(lán)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(dǎo)體材料，是我們研究的核心問(wèn)題。”沈波開(kāi)門見(jiàn)山對(duì)他的研究進(jìn)行了介紹。

“解決這個(gè)問(wèn)題要從兩個(gè)方面著手，第一個(gè)是襯底，一般稱之為襯底工程，雖然都是藍(lán)寶石襯底，但是可以通過(guò)在襯底表面做各種各樣的新型微納結(jié)構(gòu)，促進(jìn)高質(zhì)量氮化物半導(dǎo)體的制備。第二個(gè)就是外延生長(zhǎng)，要不斷發(fā)展提升氮化物半導(dǎo)體外延質(zhì)量和光電性質(zhì)的新方法。因?yàn)槲覀儓F(tuán)隊(duì)在這兩個(gè)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(wèn)題，制備的材料有部分指標(biāo)在國(guó)際上是領(lǐng)先的?！鄙虿ㄕf(shuō)這次獲獎(jiǎng)是集體的榮譽(yù)，他要借此機(jī)會(huì)感謝學(xué)校各級(jí)領(lǐng)導(dǎo)、兄弟學(xué)院同仁，以及物理學(xué)院、人工微結(jié)構(gòu)和介觀物理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室對(duì)北大寬禁帶半導(dǎo)體研究中心和研究團(tuán)隊(duì)的長(zhǎng)期支持，還要感謝寬禁帶半導(dǎo)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(guó)義教授對(duì)他工作的長(zhǎng)期支持。

康凱、沈波、童玉珍和王新強(qiáng)（從左至右）在國(guó)家獎(jiǎng)?lì)C獎(jiǎng)現(xiàn)場(chǎng)

沈波教授（前排右二）和研究生在未名湖畔

“這才是見(jiàn)硬功夫的地方”

沈波團(tuán)隊(duì)研究的氮化物半導(dǎo)體，有兩個(gè)非常重要的特征，“第一個(gè)是寬禁帶，如果做光電器件，寬禁帶就表示發(fā)光的波長(zhǎng)更短，能量更高，比如藍(lán)光和紫外發(fā)光二極管（LED）；第二個(gè)特征是它有非常強(qiáng)的極化效應(yīng)，做出來(lái)的電子器件功率密度很大，如果用來(lái)做雷達(dá)的收發(fā)模塊，功率密度大，探測(cè)距離就遠(yuǎn)。美國(guó)在韓國(guó)部署的薩德反導(dǎo)系統(tǒng)就使用了氮化鎵模塊，可以探測(cè)上千公里，中國(guó)許多地區(qū)也在其探測(cè)范圍之內(nèi)，所以引起了‘薩德危機(jī)’”。

2018年美國(guó)制裁中興公司事件中，中興公司如此被動(dòng)的原因就在于缺乏強(qiáng)大的半導(dǎo)體芯片技術(shù)，主要是硅集成電路芯片，也包括氮化物半導(dǎo)體的一些芯片。第五代移動(dòng)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(dǎo)體在軍工和民用領(lǐng)域都有很多應(yīng)用，是各國(guó)高技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)的主要領(lǐng)域之一。在寬禁帶半導(dǎo)體核心技術(shù)上，中國(guó)一直面臨美國(guó)的限制，最近的限制更多了?！安糠謱捊麕О雽?dǎo)體材料、器件和制備裝備現(xiàn)在美國(guó)已開(kāi)始對(duì)我國(guó)禁運(yùn)，為了一些實(shí)驗(yàn)的需要，想買點(diǎn)氮化鋁（AlN）材料回來(lái)做對(duì)比，都買不到。另外我們?cè)S多儀器設(shè)備都是進(jìn)口的，一些關(guān)鍵零部件的進(jìn)口也受到限制?！?/p>

沈波認(rèn)為，限制背后也是機(jī)遇，“原來(lái)大家都愿意買進(jìn)口的設(shè)備，因?yàn)閾?dān)心國(guó)產(chǎn)的質(zhì)量。國(guó)產(chǎn)設(shè)備現(xiàn)在不如進(jìn)口設(shè)備好，但是你不買它、不用它，它永遠(yuǎn)都不會(huì)好。如今國(guó)外的買不著了，也就只能買國(guó)產(chǎn)的，國(guó)產(chǎn)設(shè)備市場(chǎng)變好，技術(shù)水平也就不斷提升，再過(guò)5年，我們的國(guó)產(chǎn)設(shè)備就能發(fā)展起來(lái)”。

除此之外，美國(guó)對(duì)中國(guó)半導(dǎo)體技術(shù)的限制，也讓中國(guó)意識(shí)到半導(dǎo)體技術(shù)的戰(zhàn)略地位。沈波說(shuō)道：“在過(guò)去很長(zhǎng)一段時(shí)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(jī)，不太關(guān)注到高鐵、飛機(jī)的關(guān)鍵零部件都是進(jìn)口的，其中就包括半導(dǎo)體芯片。中興事件讓我國(guó)政府和老百姓意識(shí)到在這些最核心的技術(shù)上，我們離西方還有相當(dāng)?shù)木嚯x?，F(xiàn)在大家不是問(wèn)國(guó)家要不要做這件事情，更多的是討論怎么做，這對(duì)我們是有利的?，F(xiàn)在國(guó)家上上下下都意識(shí)到，半導(dǎo)體就像上世紀(jì)50年代的鋼鐵一樣，是一個(gè)國(guó)家發(fā)展最核心的東西之一。這才是見(jiàn)硬功夫的地方?！?/p>

校企合作共贏

在這次獲獎(jiǎng)項(xiàng)目的完成人當(dāng)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(dǎo)體科技有限公司（成立于2009年）、東莞中圖半導(dǎo)體科技有限公司（成立于2013年）。這一次獲獎(jiǎng)的技術(shù)，也已經(jīng)投入到兩家公司的生產(chǎn)中。

“這兩個(gè)公司跟北大都很有淵源。2009年，在甘子釗、張國(guó)義老師組織領(lǐng)導(dǎo)下，北大寬禁帶半導(dǎo)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(dǎo)體科技有限公司，把北大氮化物半導(dǎo)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(lán)寶石圖形化襯底業(yè)務(wù)單獨(dú)拿出來(lái)，成立了中圖半導(dǎo)體科技有限公司。這兩家公司的技術(shù)支撐都來(lái)源于北大，一直以來(lái)跟我們有非常緊密的合作。”

對(duì)于大學(xué)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(duì)企業(yè)來(lái)說(shuō)，最關(guān)注的就是大學(xué)的研究成果對(duì)企業(yè)產(chǎn)品研發(fā)和生產(chǎn)的幫助。對(duì)大學(xué)來(lái)說(shuō)，研發(fā)是核心使命，通過(guò)研發(fā)成果的產(chǎn)業(yè)化推廣既可彰顯成果的價(jià)值，也可獲得更多的研發(fā)資源。從實(shí)驗(yàn)室的研究成果到企業(yè)有競(jìng)爭(zhēng)力的產(chǎn)品，需要經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的中試，不僅需要大學(xué)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(xué)和企業(yè)長(zhǎng)時(shí)間的緊密合作來(lái)共同完成。

美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家為了搶占寬禁帶半導(dǎo)體技術(shù)的戰(zhàn)略制高點(diǎn)，通過(guò)國(guó)家級(jí)創(chuàng)新中心等形式，把企業(yè)、高校、研究機(jī)構(gòu)及相關(guān)政府部門等有機(jī)地聯(lián)合在一起。在這方面，中國(guó)也行動(dòng)起來(lái)了。2015年，寬禁帶半導(dǎo)體相關(guān)的科研機(jī)構(gòu)、大專院校、龍頭企業(yè)發(fā)起籌建我國(guó)的“第三代半導(dǎo)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(zhǎng)單位。

沈波說(shuō)，這個(gè)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟的作用不可小覷?！斑@個(gè)聯(lián)盟，它有三方面的作用，第一是促進(jìn)行業(yè)內(nèi)企業(yè)的協(xié)調(diào)發(fā)展。第二是促進(jìn)產(chǎn)業(yè)界和學(xué)術(shù)界的合作。通過(guò)這個(gè)平臺(tái)，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(xué)、研究機(jī)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(jī)構(gòu)、企業(yè)的交流，可以把學(xué)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(dǎo)體行業(yè)的五年規(guī)劃時(shí)，會(huì)參考聯(lián)盟成員的意見(jiàn)?！?/p>

一劍磨十年

沈波的人生道路和中國(guó)半導(dǎo)體的發(fā)展緊密結(jié)合在一起。他1985年從南京大學(xué)物理系半導(dǎo)體物理專業(yè)畢業(yè)后，在中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)攻讀半導(dǎo)體物理專業(yè)研究生，再到日本留學(xué)，獲得半導(dǎo)體材料專業(yè)博士學(xué)位后回國(guó)任教，一直沒(méi)離開(kāi)過(guò)半導(dǎo)體。

談及與半導(dǎo)體的緣分，沈波戲稱自己和半導(dǎo)體之間屬于“先結(jié)婚后戀愛(ài)”的關(guān)系，一開(kāi)始是被動(dòng)地進(jìn)入這個(gè)專業(yè)，后來(lái)才逐漸喜歡上，“一輩子就做這件事情”。沈波回憶道：“我上大學(xué)之前，不知道大學(xué)里物理系是干什么的。因?yàn)槲业母咧邪嘀魅问俏锢砝蠋?，他覺(jué)得我物理學(xué)得不錯(cuò)，我就報(bào)了南京大學(xué)物理系，大學(xué)分專業(yè)時(shí)我的志愿是南大物理系最強(qiáng)的晶體專業(yè)，但把我分到了半導(dǎo)體專業(yè)，我就被動(dòng)地進(jìn)了這個(gè)領(lǐng)域?！?/p>

對(duì)于沈波來(lái)說(shuō)，氮化物寬禁帶半導(dǎo)體的研究，“一方面在科學(xué)上有足夠的空間進(jìn)行探索，有大量的物理問(wèn)題需要通過(guò)研究去解答。另一方面，半導(dǎo)體作為一個(gè)事關(guān)國(guó)計(jì)民生的核心技術(shù)對(duì)國(guó)家是非常重要的，它在民用技術(shù)和軍用國(guó)防上都有很高的應(yīng)用價(jià)值”。

沈波的博士學(xué)位是1995年在日本東北大學(xué)材料科學(xué)研究所獲得的。談及當(dāng)初為什么選擇回國(guó)，沈波說(shuō)，這是一個(gè)順理成章的選擇?！爱?dāng)年我本是南京大學(xué)公派出國(guó)的訪問(wèn)學(xué)者，在此期間，我獲得了攻讀博士的機(jī)會(huì)，南大也同意了。等我博士畢業(yè)，就沒(méi)有任何理由再待在國(guó)外，于是我就回來(lái)了。如今24年過(guò)去了，事實(shí)證明回國(guó)是對(duì)的。當(dāng)時(shí)跟我一起出國(guó)的，也有不少人沒(méi)回來(lái)，這么多年下來(lái)，個(gè)人發(fā)展不一定比國(guó)內(nèi)好。雖然剛回國(guó)那幾年科研條件比較艱苦，但是國(guó)家對(duì)歸國(guó)青年人才非常重視，讓你挑大梁，很鍛煉人。最近十多年來(lái)，科研人員的待遇、科研條件都得到了大幅度改善，我對(duì)自己的生活條件和工作條件都非常滿意?！?/p>

中國(guó)的寬禁帶半導(dǎo)體研究起步較晚，前期可投入的資源較少，而半導(dǎo)體研究?jī)x器設(shè)備動(dòng)輒上百萬(wàn)美元，“上世紀(jì)90年代我剛回國(guó)的時(shí)候，我們的實(shí)驗(yàn)條件跟國(guó)外比起來(lái)差距確實(shí)很大?？墒亲罱?，中國(guó)在科研經(jīng)費(fèi)上的投入大幅增加，我的日本朋友經(jīng)常會(huì)來(lái)北大訪問(wèn)，他們就覺(jué)得我們現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)室的儀器設(shè)備條件，跟日本的大學(xué)已經(jīng)沒(méi)太大差別，加上中國(guó)對(duì)人才的高度重視，我們確實(shí)縮小了和美國(guó)、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家的差距。在少數(shù)技術(shù)點(diǎn)上，我們已經(jīng)處在國(guó)際前列”。2018年我國(guó)整個(gè)半導(dǎo)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(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)，也是我們國(guó)家最近十多年來(lái)高新技術(shù)發(fā)展的典型案例之一。

說(shuō)到研發(fā)過(guò)程中的困難，沈波笑著說(shuō)：“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(zhǎng)時(shí)間，寒暑假大部分時(shí)間也都在工作。大家的目標(biāo)就是克服困難，把氮化物半導(dǎo)體這件事情做好，趕超世界科技強(qiáng)國(guó)，滿足國(guó)家對(duì)氮化物半導(dǎo)體的需求。任何事情你只要堅(jiān)持往前做，總能把它做好。”

沈波提到，在大學(xué)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。“因?yàn)槲覀兇髮W(xué)這么多年擅長(zhǎng)做基礎(chǔ)研究，在管理上和觀念上對(duì)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(dǎo)體實(shí)驗(yàn)室研究的東西以納米或者微米為尺度，必須在一個(gè)恒溫恒濕的超凈室里做，實(shí)驗(yàn)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(guó)、日本從事這樣研究的實(shí)驗(yàn)大樓都是雙電路安排，從來(lái)不會(huì)斷電。而我們物理大樓在寒暑假期間，經(jīng)常會(huì)停電檢修，平時(shí)也偶爾會(huì)斷電。為了一次停電，我們要做許多準(zhǔn)備工作，要耽擱好幾天時(shí)間，儀器狀態(tài)和潔凈條件都會(huì)受到影響。其實(shí)北京大學(xué)不僅是一個(gè)培養(yǎng)人才和做基礎(chǔ)研究的著名學(xué)府，它還是我國(guó)非常重要的應(yīng)用基礎(chǔ)和高技術(shù)研究基地，學(xué)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(jìng)爭(zhēng)力是由一個(gè)個(gè)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(gè)學(xué)院都有若干個(gè)這樣的課題組，這一個(gè)個(gè)課題組加起來(lái)構(gòu)成了北大趕超世界科學(xué)前沿、滿足國(guó)家重大需求的核心競(jìng)爭(zhēng)力?！?/p>

這次獲獎(jiǎng)，用沈波自己的話來(lái)講，就是“一劍磨十年”，是厚積薄發(fā)的過(guò)程。從他2004年到北大，他一直在做氮化物半導(dǎo)體研究，至今已經(jīng)過(guò)了15年，這個(gè)獎(jiǎng)也被他視作這15年工作總結(jié)的一部分?！拔疫@輩子從上大學(xué)開(kāi)始就學(xué)半導(dǎo)體，1995年起做氮化鎵，看來(lái)一輩子就做半導(dǎo)體這件事情了。但真的沉浸到里面，你會(huì)發(fā)現(xiàn)其中的事情是做不完的，永遠(yuǎn)有好多事情等著你去做?！鄙虿ㄕf(shuō)。