半導(dǎo)體研究所趙德剛的科學(xué)家精神

來(lái)源：中國(guó)科學(xué)報(bào) 作者 |卜葉

“趙德剛在哪兒？” “不在實(shí)驗(yàn)室，就在去實(shí)驗(yàn)室的路上?！? 這是課題組成員對(duì)趙德剛的印象。 20余年來(lái)，中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所（以下簡(jiǎn)稱半導(dǎo)體所）研究員趙德剛幾乎每天泡在實(shí)驗(yàn)室里，周圍同事同學(xué)對(duì)他的行蹤了如指掌。 趙德剛所從事的半導(dǎo)體光電子材料與器件事業(yè)是信息時(shí)代的基石。 在這個(gè)朝陽(yáng)產(chǎn)業(yè)里，他沒(méi)有向著“高產(chǎn)”的新型材料奔去，而是選擇堅(jiān)守展現(xiàn)出應(yīng)用價(jià)值但研究步入深水區(qū)的傳統(tǒng)材料——氮化鎵，并鉆堅(jiān)研微，克服種種困難，帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)研制出國(guó)內(nèi)第一支氮化鎵基紫外激光器、大功率藍(lán)光激光器。 “我是國(guó)家培養(yǎng)出來(lái)的‘土著科研人’，用實(shí)際行動(dòng)回報(bào)祖國(guó)是我的夙愿。作為一名科研人，國(guó)家的需要在哪里，我的研究方向就在哪里?！壁w德剛說(shuō)。

艱難的領(lǐng)域 巨大的難題

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，半導(dǎo)體研究有兩大類，微電子和光電子。 集成電路、晶體管在微電子研究的范疇內(nèi)，而光電子研究多指激光及相關(guān)產(chǎn)品。 上世紀(jì)90年代，中國(guó)的微電子行業(yè)相對(duì)落后，在電子科技大學(xué)學(xué)習(xí)了7年的趙德剛深深為這個(gè)專業(yè)著迷。在這期間，他申請(qǐng)加入了中國(guó)共產(chǎn)黨。 1997年，進(jìn)入半導(dǎo)體所進(jìn)一步學(xué)習(xí)之后，趙德剛發(fā)現(xiàn)我國(guó)對(duì)半導(dǎo)體器件需求巨大，但世界上生產(chǎn)該類器件的原材料卻尚未成熟。 “這也是我選擇氮化鎵光電子材料與器件研究的原因?！壁w德剛說(shuō)。 氮化鎵是繼硅、砷化鎵之后的第三代半導(dǎo)體，其光譜覆蓋了近紅外到深紫外全波段，且熱穩(wěn)定性好、抗擊穿、耐腐蝕，在光電子學(xué)和微電子學(xué)領(lǐng)域具有巨大應(yīng)用潛力。

目前，基于氮化鎵材料的藍(lán)光發(fā)光二極管已經(jīng)走進(jìn)了千家萬(wàn)戶，引發(fā)了照明產(chǎn)業(yè)的革命。 日本學(xué)者赤崎勇、天野浩和中村修二也因發(fā)明“高效藍(lán)色發(fā)光二極管”獲得2014年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。 作為另外一種高端光電子器件，氮化鎵激光器在激光顯示、激光加工、激光醫(yī)療等領(lǐng)域有重要應(yīng)用。 但激光器技術(shù)難度大，是國(guó)際化合物半導(dǎo)體研究的熱點(diǎn)和制高點(diǎn)。 “要做出藍(lán)光激光器，必須生長(zhǎng)出高質(zhì)量的氮化鎵材料。” 趙德剛介紹，由于缺乏匹配的襯底，氮化鎵外延材料質(zhì)量長(zhǎng)期困擾著世界各國(guó)學(xué)者。 電子遷移率高低是材料性能的綜合反映。 一般來(lái)說(shuō)，電子遷移率越高，材料性能越好。 當(dāng)時(shí)，國(guó)際領(lǐng)域諾貝爾獎(jiǎng)獲得者中村修二做出來(lái)在室溫下900平方厘米/伏特·秒電子遷移率的氮化鎵材料，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了平均水平。

“900這一數(shù)字在當(dāng)時(shí)被認(rèn)為是不可超越的?！?半導(dǎo)體所助理研究員梁鋒說(shuō)。 當(dāng)時(shí)，課題組面臨的最大問(wèn)題是氮化鎵材料能發(fā)光但無(wú)法激射，一向開(kāi)朗樂(lè)觀的趙德剛也發(fā)愁了，飯都吃不下去。 閱讀文獻(xiàn)后，趙德剛發(fā)現(xiàn)做出高質(zhì)量的氮化鎵材料并沒(méi)有絕招，關(guān)鍵是要找到影響電子遷移率的散射機(jī)制，并掌握減少散射中心數(shù)量的方法。 因此，趙德剛深入研究了緩沖層原理，同時(shí)結(jié)合材料光學(xué)、電學(xué)、結(jié)構(gòu)性質(zhì)的分析，發(fā)現(xiàn)了缺陷產(chǎn)生和湮滅的物理過(guò)程，提出了獨(dú)特的MOCVD外延技術(shù)。 2004年，他們終于實(shí)驗(yàn)生長(zhǎng)出高質(zhì)量的氮化鎵材料，在室溫下其電子遷移率超過(guò)1000平方厘米/伏特·秒，這也是國(guó)際上MOCVD外延氮化鎵材料的最好結(jié)果，得到了國(guó)內(nèi)外廣泛認(rèn)可。 “這只是局部超越，整體上我國(guó)與日本這樣的技術(shù)先進(jìn)的國(guó)家還有差距。”趙德剛說(shuō)。

獨(dú)到的眼光 獨(dú)特的思路

研究出世界頂級(jí)的高質(zhì)量氮化鎵材料并不意味著激光器的研制成功。 剛過(guò)而立之年的趙德剛毫不遲疑地投入到另一個(gè)難題——氮化鎵的p型摻雜的研究中。 “碳雜質(zhì)的作用可能不簡(jiǎn)單，碳雜質(zhì)的研究不能停止?！边@個(gè)聲音縈繞在趙德剛心中。 進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，碳雜質(zhì)在p型氮化鎵中扮演著“破壞者”的角色。 通過(guò)結(jié)合生長(zhǎng)機(jī)理的研究，課題組掌握了抑制碳雜質(zhì)的方法，制備出高質(zhì)量的低溫p型材料。 “碳雜質(zhì)在其他材料中有沒(méi)有這種現(xiàn)象？”課題組順藤摸瓜，發(fā)現(xiàn)碳雜質(zhì)在量子阱中的作用也是破壞性的。 “碳雜質(zhì)難道沒(méi)有優(yōu)點(diǎn)？”趙德剛帶領(lǐng)課題組發(fā)現(xiàn)，歐姆接觸中，適當(dāng)引入碳雜質(zhì)有助于電流的輸入和輸出。 三連問(wèn)逐漸形成了對(duì)碳雜質(zhì)的系統(tǒng)性研究。 “我總是從當(dāng)前的課題中發(fā)現(xiàn)下一個(gè)課題，很少是從熱點(diǎn)、報(bào)告、文獻(xiàn)中獲得課題?！? 趙德剛說(shuō)，“半導(dǎo)體研究應(yīng)該立足國(guó)家需要，被國(guó)外牽著鼻子走不太容易形成自身的研究特色、產(chǎn)生國(guó)內(nèi)需要的研究成果。”

解決問(wèn)題的能力源于實(shí)踐

2012年，趙德剛指導(dǎo)研究生研究量子阱。 實(shí)驗(yàn)遇到問(wèn)題，遲遲未能解決。 同事介紹，當(dāng)時(shí)趙德剛凝神靜氣觀察一番，拍了拍腦門問(wèn)，“是不是V型坑對(duì)器件有影響？”事實(shí)證明的確如此，次年，諾貝爾獎(jiǎng)獲得者中村修二教授也在相關(guān)研究中引用了該結(jié)論。 當(dāng)問(wèn)及趙德剛屢屢取得成績(jī)的秘訣，他表示，秘訣只有兩個(gè)字——“實(shí)踐”，問(wèn)題從實(shí)踐中來(lái)，答案也在實(shí)踐中。 “半導(dǎo)體是理論與實(shí)踐結(jié)合密切的行業(yè)，技術(shù)積累很關(guān)鍵，必須沉下心做積累，才有可能在研究中獲得突破?！壁w德剛說(shuō)。 趙德剛承擔(dān)了許多研究任務(wù)，平時(shí)基本“釘”在實(shí)驗(yàn)室，但他依然保持著看書的習(xí)慣，他認(rèn)為理論學(xué)習(xí)不能放下，沒(méi)有深厚的理論功底，看問(wèn)題很難透徹。 科研人員最重要的本領(lǐng)是發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，最大的本事是解決問(wèn)題。

以從事20余年的氮化鎵研究為例，趙德剛向記者介紹，氮化鎵是目前已知的材料中最具應(yīng)用價(jià)值的材料之一，一旦獲得突破將為整個(gè)產(chǎn)業(yè)帶來(lái)改變，而新型材料走上應(yīng)用可能還需要更漫長(zhǎng)的道路。 他時(shí)刻關(guān)注氮化鎵材料和光電器件的研究進(jìn)展與熱點(diǎn)，有點(diǎn)近乎“癡迷”，這種研究風(fēng)格也感染著他的學(xué)生。 “博士階段選擇研究方向時(shí)，新型材料研究容易發(fā)論文、評(píng)職稱，對(duì)年輕科研人員的誘惑力很大，但是跟趙德剛老師交流后，我毫不猶豫選擇了氮化鎵，并且畢業(yè)后留所繼續(xù)從事這項(xiàng)事業(yè)?！绷轰h說(shuō)。 為國(guó)家半導(dǎo)體科技事業(yè)發(fā)展培養(yǎng)后備力量，是趙德剛的心愿。 在趙德剛的鼓勵(lì)下，其博士生還推導(dǎo)出氮化鎵二維電子氣的理論公式，促進(jìn)了氮化鎵微電子器件的研究。 這讓趙德剛倍感欣慰。

“發(fā)展半導(dǎo)體必須有一批踏踏實(shí)實(shí)的研究人員沉在基層。作為一名黨員，希望越來(lái)越多的青年立足國(guó)家需要做研究，在科研實(shí)踐中實(shí)現(xiàn)個(gè)人價(jià)值。”趙德剛說(shuō)。 《中國(guó)科學(xué)報(bào)》 (2020-10-23 第1版 要聞)

原文標(biāo)題：趙德剛： 只做國(guó)家有需要的研究｜弘揚(yáng)新時(shí)代科學(xué)家精神

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