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      背景介绍:沈波,北京大学物理学院教授、长江学者、国家杰出青年基金获得者。在2018年度国家科学技术奖励大会上,北京大学沈波教授团队"氮化物半导体大失配异质外延技术"获国家技术发明二等奖。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。


    北京大学沈波教授团队“氮化物半导体大失配异质外延技术”获国家技术发明二等奖

      中国教育和科研计算机网:首先祝贺您的“氮化物半导体大失配异质外延技术”获得国家技术发明二等奖,您能简单通俗的介绍一下这个项目吗?

      沈波:非常感谢你们的支持。该项目是属于电子与通信技术学科的半导体材料和器件技术方向。氮化物半导体制备的主流方法是蓝宝石等衬底上的异质外延,外延材料中高缺陷密度成为氮化物半导体技术发展的关键瓶颈。

      我们在大失配异质外延,包括衬底的图形化技术等方面取得了一些研究突破,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,制备出质量指标国际领先的氮化物半导体外延材料。同时,我们把大学的研究成果跟产业应用结合起来,这也是我们团队从老一代科学家开始一直坚持的做法,获得了国家的肯定。

      中国教育和科研计算机网:大失配异质外延是个专业术语,行业之外的人可能不太理解,您能给大家解释一下这个名词吗?

      沈波:氮化物半导体(简称氮化镓)是人工合成的新型半导体材料,用标准的单晶生长方法不可能制备这种材料。第一代半导体硅外延有硅单晶衬底,硅片的直径已发展到8英寸、12英寸,甚至18英寸,第二代半导体砷化镓也有单晶衬底材料。

      由于氮化物半导体没有传统意义上的单晶衬底,只能用一些比较特殊的方法制备衬底材料,价格非常昂贵,产能也很有限,因此绝大部分氮化物半导体及其量子结构必须制备在异质衬底上,比如蓝宝石衬底、硅衬底、碳化硅衬底等等。

      蓝宝石和氮化物半导体之间的异质外延是目前最重要的大失配异质外延。不同物质的原子构成不同,因此它们的晶体结构各不相同,蓝宝石和氮化镓这两种晶体之间的周期和对称性存在巨大的差别,随温度膨胀收缩的规律也很不一样,我们称之为大失配。在这种情况下,把氮化物半导体制备在蓝宝石衬底上就难度很大,若制备不好,材料就会有非常高的缺陷密度。只有采用各种各样的前沿技术和新方法才能制备出高质量的氮化物半导体及其量子结构,在此基础上才能制备出高性能的器件和芯片。

      中国教育和科研计算机网:我们从获奖项目中看到,您的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,主要有哪些新技术和新方法?这些新技术能够发挥什么样的作用?

      沈波:我们大失配异质外延的创新包括两个方面。第一是蓝宝石图形衬底技术的创新。最早的图形衬底是由韩国科学家发明的,我们的图形衬底技术实现了两个方面的创新:一是有一些新结构,二是有独有的制作技术,品质好而成本低,因此我们合作企业的产品在国际国内很有竞争力。

      第二个创新就是我们发展了各种具有自主知识产权的氮化物半导体外延制备方法,制备的氮化物半导体部分晶体质量指标世界领先。

      中国教育和科研计算机网:这一研究成果最大意义在哪些地方呢?该项目成果已大规模产业应用,市场效益如何?

      沈波:氮化物半导体是第三代半导体的典型代表,被广泛应用于半导体照明、无线移动通信、电动汽车以及国防军工等领域,是国家的重要战略领域,也是国际高技术竞争的主要领域之一。现在美国对中国的很多技术和产品限制、禁运都涉及到第三代半导体。

      要想把第三代半导体的应用系统做好,就需要把器件和??樽龊?,而要把器件和??樽龊?,首先要把大失配异质外延做好。就像盖房子,大失配异质外延就是基础和地基,就是关键的核心技术。

      从我们团队的老一代科学家开始,由于技术研发做得不错,10年前就以技术入股的形式在广东参与了第三代半导体领域高技术企业的创办。经过多年努力,现在已经取得不错的成果和效益,2017年企业销售收入超过了10亿人民币。

      中国教育和科研计算机网:刚刚您提到第三代半导体材料是一种“战略物资”和国际竞争焦点,我们的技术与国外相比,例如美国、德国、日本,最大的优势是什么?不足又是什么?

      沈波:整个半导体技术以及半导体产业都是先在西方发展起来的。第一个晶体管是美国人发明的,美国在第一代半导体、第二代半导体领域一直占据着很大优势,后来日本异军突起,再后来韩国、中国台湾的半导体芯片产业也做得不错。与之相比,中国大陆一直比较落后。1958年在国家组织下,黄昆和谢希德先生等在北京大学创立了国内五校联合的半导体班,这是中国大陆培养的第一批半导体专业人才;从那时起,中国大陆的半导体技术和产业才慢慢起步。

      中国的半导体技术和产业在相当长的时间里和西方保持着比较大的差距,其原因一是起步比较晚,技术研究和产业发展的历史比较短,缺乏沉淀;二是因为半导体材料、器件和芯片是高资金、高技术密集的行业,在过去很长的时间里,因为国力财力的限制,国家不可能投入太多,民间资本投入也谈不上。

      但现在不一样了,随着国家这几十年的快速发展,国内已经有相当充足的经济实力投入半导体技术研究和产业发展上。实际上从十多年前开始,我们国家半导体材料、器件和芯片的技术研究和产业投入就进入了高速发展阶段,我所在的北大实验室无论从硬件条件还是研究水平上这10多年都取得了非常大的进步。

      从整体上讲,国内在第三代半导体,特别是氮化物半导体领域与国际领先水平的差距这10多年已经明显缩小。我认为再过8-10年,这个差距就很可能被追上。事实上,国内第三代半导体的某些技术研究已经有自己的特色,并不落后,甚至在个别点上已领先于人。

      中国教育和科研计算机网:科研创新突破往往遇到很多困难,您在技术研究过程中遇到过哪些困难?是如何克服的?

      沈波:不同的时期,困难也有所不同。不管怎样,研究贵在持之以恒,不能追着热点跑。我从1995年在日本博士毕业后就开始做氮化镓研究,转眼就做了二十多年,所以只有坚持才能克服困难。

      1995年我从国外回来的时候,面临的最大困难就是国内条件比较差,无论是科研经费还是硬件设备都跟国外有非常大的差距。我记得我刚回国,国家给我的经费也就几十万人民币,但是一台制备氮化物的设备需要一百万美元,最后只能自己搭建设备。但是自己搭建的设备在性能上跟国外设备差距很大,所以除了自力更生,课题组还采用国际合作的形式,经常借助国外的设备条件做研究,以此来克服在科研硬件条件上的不足。

      这几年情况完全不一样了,实验室设备条件已经跟国外差不多了,这时我们面对的困难也不一样了,国家和大学对我们的要求也不一样了。现在国内很多单位开始投身到这个研究领域,人才竞争非常激烈,怎么把一些很优秀的年轻人吸引到我们团队来,并能够稳定的发挥作用,对我来说是新的挑战。一方面,我们怎么用事业用感情来留人、吸引人还需探索,另一方面,目前的人才评价体系在实践操作层面还是有一些问题的。

      整体上来讲,大学的评价体系更注重基础研究,虽然现在也鼓励高技术研发和成果的转移转化,但在实际操作过程中还有很多不尽如人意的地方。怎样在自己能够掌控的小环境里,处理好基础研究和高技术成果产业化的关系问题,保障年轻学者的正常学术发展,我一直在思考如何做得更好,希望国家和大学更加注意这个问题的解决。


    北京大学物理学院教授 沈波

      中国教育和科研计算机网:在 2018年度国家科学技术奖评选出的278个项目中,有多个项目涉及第三代半导体领域。您对第三代半导体领域的研究前景有怎样的看法?

      沈波:我不知道今年获奖项目里有多少是第三代半导体,但毫无疑问第三代半导体是非常非常重要的,是国家的战略需求。中兴事件以后,国家从最高领导人到一般老百姓都知道了半导体技术和半导体芯片的重要性??凸凵辖?,过去国家更注重集成创新和应用模式创新,比如说高铁、移动支付等,但其实里面的核心部件和元器件还是进口的。中兴事件一下子让国家和产业界意识到,创新的核心是关键材料、关键元器件的创新,我觉得这是非常好的事情。

      国家当然应该鼓励集成创新、应用模式创新,但这些领域应该主要交给市场去做。现在全国上下已经充分意识到,半导体芯片是国家竞争力的最终体现,半导体芯片是高资本、高技术密集的产业。前几年我跟各级领导做各种交流时,还需要跟他们强调半导体芯片的重要性,现在已经不用讲了,现在讨论的主题是该怎么做。

      另外,我想强调的是:第一代、第二代、第三代半导体不是取代与被取代的关系,它是从发展时间上划分的。第一代半导体硅材料和器件,特别是集成电路,发展比较早,现在依然是最重要的半导体技术和最主要的半导体芯片产业。后来由于第一代半导体材料在发光和射频性能上的局限性,第二代半导体发展起来了。再后来,由于短波长光电器件和高功率器件的需求,又发展到第三代半导体。这三代半导体的发展是相互促进和相互融合的关系,不是竞争和取代的关系。

      整体上和第一代、第二代半导体一样,第三代半导体的发展态势是非常好的,我相信再有8-10年,我们国家的第三代半导体,无论是材料、器件,还是芯片、应用都会有更大的飞跃。从国家、社会投入规模、研发人员规模增长趋势来看,我们在总体上赶上乃至超过世界先进水平应该是不太遥远的事情。

      现在面临的最主要问题可能还是产业,研发做得好并不意味着产业做得好。现在第三代半导体产业发展最大的问题是什么呢?就是缺乏龙头企业。这几年我国很多中小企业发展起来了,它们过去以引进外国技术为主,自身研发能力,特别是中试能力有限。而国内大学及研究机构在与企业合作,在研究成果的产业化落地上还有一些环节不是很顺畅,特别是中试的问题,未能很好解决。国外的跨国企业本身就能从基础研究一直做到产业应用。在美国,靠高通、苹果等龙头企业的力量,就可打通整个创新链条,把研发和产业落地结合得很好,企业资源整合能力很强,中国缺少这种类型的龙头企业。

      此外 ,我还担心的是,大家一窝蜂的做这个事情可能不见得好。现在很多南方的企业大力投入第三代半导体产业,如果企业产能真像说的那样,三年之后百分之百地达到产能标准,可能会产能过剩,毕竟对第三代半导体的需求不是无止境的。当然了,企业是否能达到规划产能还是个问号,因为国内还没有那么多、那么强的技术力量来支撑这件事情,很多装备技术还卡在外国人手上。

      中国教育和科研计算机网:这项科研成果由北京大学牵头,以技术入股方式与东莞两家公司合作,您认为这个校企合作的必要性和意义在哪里?

      沈波:这个是非常重要的。从国家的角度来看,大学的研究成果总是要走向应用,校企合作就提供了这样一个平台和机会。但是,如上面所述,校企合作还存在很多问题,比如说大学目前的评估体系以发表文章、申请国家项目为主,虽然国家倡导科技成果产业化,但在实际操作过程中并不十分看重这个指标。我希望国家和大学能够逐步形成全面的评价体系,既鼓励基础研究,也鼓励高技术研究和应用推广,科技成果转移转化也应该是科研评价体系中的重要内容。

      校企合作做得好反过来对基础研究也是有帮助的,我们团队有不少先进设备是企业提供的,也改善了部分老师的待遇。校企合作可以减少年轻老师们的经济压力,他们做基础研究的积极性和效率也提高了很多。

      中国教育和科研计算机网:您是如何开始这项研究的?

      沈波:我在国外攻读博士时学的是属于第一代半导体的硅材料研究。1995年回国以后在我的老师郑有炓院士的指点下开始做第三代半导体研究,一干就是20多年。后来我又去东京大学做了两年博士后,2000年再次回国后,国家和大学的科研条件开始变好了,投入力度越来越大,工作就很顺利的开展起来了。2004年来北大后,受到了我们团队的创始人甘子钊院士和张国义教授的大力支持。对我来说,做第三代半导体研究既是机遇,也是水到渠成的事情。

      中国教育和科研计算机网:您的科研成果赢得了国际同行的高度评价,包括诺贝尔奖获得者在内的多位该领域国际知名学者给予了引用或评价。对于这些赞誉,您有何感想?

      沈波:我觉得只要做得好,国际同行给予关注是很正常的。我是是在国外留学学习的现代科研知识和科研方法,因此整个项目的研究从一开始就放在了国际化平台上,国际交流频繁。此外,我们还经常邀请国际同行学者,包括诺贝尔奖获得者到北大访问交流。所以我们的成果也相对容易受到国际同行的关注,这是我们团队的基因决定的,核心老师都是从国外留学回来的,与国际同行保持着密切联系。

      但是我们也很清楚这些评价针对的是我们过去的研究,不代表未来,我们认为这仅是好的开始或者好的基础,以后还得继续努力。我们的一些特色研究成果被国外的一流的学者承认,但是总体上我们团队的研发水平跟国外的顶尖课题组相比还有差距,我们还是要保持学生的心态。

      现在中国虽然是世界第二大经济体了,但是在科学技术上,我们依然要向西方学习,如果离开了国际化的交流,关起门来做研究,只会越做越落后。虽然现在国际学术交流,特别是我们这个领域,遇到了一些困难,我想这个是正常的,因为中国发展壮大了,其他国家多少会有警觉和戒备,还不适应中国的崛起。但即使这样,我认为依然要像总书记说的那样,要坚持和深化改革开放,科技教育界更要如此。我的学生毕业后,我还是会鼓励他们去国外做博士后,培养国际视野,我觉得国际视野在科研工作中是非常重要的,关起门来不可能做好科研。


    北京大学物理学院教授 沈波

      中国教育和科研计算机网:您刚刚提到国际合作给您的研究带来了很大的技术和设备帮助,除此以外,国外的学习和科研合作还给您带来了哪些收获?

      沈波:改革开放以后相当长的一段时间里,我们国家不管是基础研究、应用研究还是高技术的发展,都从国外学到了很多东西。到现在为止,我觉得向国外学习也并不过时。虽然现在西方对我们有戒备心理,我们自己也掌握了很多高技术,但我认为不能因为我们发展了,就以为国外不行了,不是那么先进了。至少在科学和高技术上,我们跟国外还有相当的距离,还是需要抱着学习的态度。

      我作为国家改革开放后比较幸运的一代人,有机会走出国门。我自己感觉,国内的大学本科教育为我们打造了非常好的数理化功底,这是中国教育的特长。90年代初出国后,我们才开始接触现代科技研究和现代化的仪器设备,从国外学到了很多科研知识和能力,同时我也耳濡目染地从我的博士和博士后指导教授那里学会怎样培养研究生、如何组织科研,怎样跟国际接轨。实际上,我团队的很多科研管理模式、培养学生方式还延续着海外留学时学到的经验,当然,也根据实际情况做了一些调整。总之,我的留学和国际交流经历让我不仅学到了科学知识、科研能力,还学会了现代科研的组织模式。

      中国教育和科研计算机网:很多青年科学家在科研工作中有物质生活上的压力或者科学研究的迷茫,对此,您有什么建议或者忠告给到现在的青年科学家?

      沈波:忠告就是要甘于坐冷板凳。我1995年开始做第三代半导体研究,也一直是默默无闻,从讲师到副教授再到教授一步步走过来。虽然社会上很多人抱怨体制问题,但我认为不管是整个中国的体制,还是大学、研究所的体制,都不会埋没人才。我们国家很多的优秀企业家、政治家、科学家也不是靠裙带关系成长起来的。所以青年学者要甘于坐冷板凳,在一个认准的领域持之以恒,不要去赶时髦,经?;蝗鹊?。我相信中国的高等教育评价体制、科研体制会不断地改进和完善,以适应国家现代化的需要。

      现在由于种种原因,北京等大城市的年轻教师经济压力比较大,但是政府和学校也在帮助解决这些问题,这有一个过程。我当年作为青年教师,在学校筒子楼里住了很多年。国外也是一样,没几个年轻学者在大城市买得起房子,我觉得这不是不可克服的困难。年轻学者只要真正做出成就,就一定会有回报,关键是要做出别人做不到的成果,这是关键。

      中国教育和科研计算机网:您还有没有什么要补充的或者特别想谈的?

      沈波:我补充点个人的感受。我们这代人很幸运,2018年是改革开放40年,我们这代人恰恰是国家改革开放40年的参与者和见证者。

      我是江苏扬州人,1978年江苏省第一次恢复重点高中统考,我考进扬州最有名、最好的扬州中学。我当时一点没有意识到,回头再看,才发现这是跟最早的改革开放步骤结合在一起的。后来我进了南京大学物理系学习,南大物理系是当时全国最强的物理学科之一,那时还有个刚摘了帽的"右派"老师给我们上《数学物理方法》课。我当时只是好奇,现在回过头来看,那确实也是跟当年平反冤假错案、拨乱反正联系在一起的。一批杰出的教授解放了,重返了教书育人岗位,我们受到这些大师的熏陶和教诲。后来我到中国科技大学读研究生,工作后又赶上国家对外开放要大批派遣留学生,这样我就跟着这个大潮出国留学。现在回过头来看,虽然有个人努力的成分,但确实跟国家改革开放的大势是紧密结合在一起的。从这个意义上讲,个人命运和国家命运是分不开的。

      我那时读大学也好,读研究生也好,国家还给我们生活补贴,也不需要家里负担生活费,这是时代特色,所以我们这代人的家国情怀重一点。我们这一代人的成长跟国家的改革开放路径非常吻合,应该是国家的改革开放培养造就了我们这一代人。从我个人角度来讲,虽然现在做出了一点小小的成就,但首先应归功于国家大的发展趋势和很好的改革开放政策。

      现在我们国家发展到了一个新的阶段,面对一些新的困难和问题,跟西方的关系也发生了一些变化。但我认为依然需要坚持和深化改革开放,在进一步的改革开放中解决面临的新问题,只有这样我们国家才能得到进一步发展,真正迈进发达国家行列。

      谢谢!

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