2018年度國家科學(xué)技術(shù)獎在京揭曉，北京大學(xué)物理學(xué)院沈波教授團隊的成果“氮化物半導(dǎo)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(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(dǎo)體材料，是我們研究的核心問題。”沈波開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(dǎo)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(dǎo)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(biāo)在國際上是領(lǐng)先的。”沈波說這次獲獎是集體的榮譽，他要借此機會感謝學(xué)校各級領(lǐng)導(dǎo)、兄弟學(xué)院同仁，以及物理學(xué)院、人工微結(jié)構(gòu)和介觀物理國家重點實驗室對北大寬禁帶半導(dǎo)體研究中心和研究團隊的長期支持，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(dǎo)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(dǎo)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(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，是各國高技術(shù)競爭的主要領(lǐng)域之一。在寬禁帶半導(dǎo)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。“部分寬禁帶半導(dǎo)體材料、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。”

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(dān)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(dǎo)體技術(shù)的限制，也讓中國意識到半導(dǎo)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(dǎo)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(dāng)?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。現(xiàn)在國家上上下下都意識到，半導(dǎo)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(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(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)展得很好的藍寶石圖形化襯底業(yè)務(wù)單獨拿出來，成立了中圖半導(dǎo)體科技有限公司。這兩家公司的技術(shù)支撐都來源于北大，一直以來跟我們有非常緊密的合作。”

對于大學(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。對企業(yè)來說，最關(guān)注的就是大學(xué)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(xué)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(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(dǎo)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(dǎo)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(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單位。

沈波說，這個產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟的作用不可小覷。“這個聯(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(xué)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(xué)、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(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，會參考聯(lián)盟成員的意見。”

一劍磨十年

沈波的人生道路和中國半導(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)位后回國任教，一直沒離開過半導(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”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(xué)之前，不知道大學(xué)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(xué)得不錯，我就報了南京大學(xué)物理系，大學(xué)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(dǎo)體專業(yè)，我就被動地進了這個領(lǐng)域。”

對于沈波來說，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(dǎo)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(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，沈波說，這是一個順理成章的選擇。“當(dāng)年我本是南京大學(xué)公派出國的訪問學(xué)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(dāng)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。”

中國的寬禁帶半導(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。可是最近十年，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(xué)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(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(biāo)就是克服困難，把氮化物半導(dǎo)體這件事情做好，趕超世界科技強國，滿足國家對氮化物半導(dǎo)體的需求。任何事情你只要堅持往前做，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。“因為我們大學(xué)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(dǎo)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(xué)不僅是一個培養(yǎng)人才和做基礎(chǔ)研究的著名學(xué)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(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(xué)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(xué)前沿、滿足國家重大需求的核心競爭力。”

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(dǎo)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(xué)開始就學(xué)半導(dǎo)體，1995年起做氮化鎵，看來一輩子就做半導(dǎo)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。”沈波說。