存高遠(yuǎn)之志 填國(guó)內(nèi)空白
——記國(guó)家“千人計(jì)劃”特聘專(zhuān)家、電子科技大學(xué)教授宋海智

本刊記者 李曉文

存高遠(yuǎn)之志 填國(guó)內(nèi)空白
——記國(guó)家“千人計(jì)劃”特聘專(zhuān)家、電子科技大學(xué)教授宋海智

本刊記者 李曉文

作為新興、前沿的科技領(lǐng)域，量子技術(shù)在近年來(lái)發(fā)展迅速，已成為國(guó)家科技發(fā)展戰(zhàn)略的重要組成部分。2017年有報(bào)告統(tǒng)計(jì)，我國(guó)在量子科技領(lǐng)域的投入和產(chǎn)出綜合排名世界第二。對(duì)于量子的研究，還有人說(shuō)，“在當(dāng)前的信息技術(shù)中，量子科技是最具革命性前景的，可以顛覆人類(lèi)未來(lái)”“量子科技的未來(lái)充滿(mǎn)無(wú)限可能，人類(lèi)生活和社會(huì)生產(chǎn)都將因量子科技而深刻改變”。量子科技除了對(duì)經(jīng)濟(jì)社會(huì)產(chǎn)生深刻影響外，量子相關(guān)技術(shù)對(duì)國(guó)防事業(yè)更是至關(guān)重要。

發(fā)展量子技術(shù)已是大勢(shì)所趨，而半導(dǎo)體光電子材料是發(fā)展量子科技的關(guān)鍵支撐，只有解決材料基礎(chǔ)問(wèn)題，才能掌握該領(lǐng)域的主動(dòng)權(quán)。而宋海智從事的正是這樣一項(xiàng)事業(yè)——半導(dǎo)體光電子材料和器件研究。2014年，宋海智以國(guó)家“千人計(jì)劃”特聘專(zhuān)家身份全職回國(guó)，放棄海外10多年的優(yōu)越工作和生活，先后加入西南技術(shù)物理研究所和電子科技大學(xué)，充分發(fā)揮其在量子技術(shù)領(lǐng)域的專(zhuān)長(zhǎng)，立志填補(bǔ)國(guó)內(nèi)光電子材料領(lǐng)域空白，并成功突破瓶頸，初步實(shí)現(xiàn)了相關(guān)材料的自主研制。

負(fù)笈求學(xué)，玉汝于成揚(yáng)眉

從1986年到1997年，從南京大學(xué)到北京大學(xué)，再回到南京大學(xué)，這一路上，宋海智完成了本科、博士、博士后的學(xué)習(xí)和研究，而不變的是他一直在自己最感興趣的半導(dǎo)體物理領(lǐng)域里奮斗著。10多年的專(zhuān)業(yè)積累，為宋海智的成長(zhǎng)打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。學(xué)海無(wú)涯，特別是當(dāng)攀登“科研”這座高峰時(shí)。于是，1998年，宋海智決定到比利時(shí)魯汶大學(xué)物理系作訪(fǎng)問(wèn)學(xué)者?！霸谀莾阂矊W(xué)了不少東西，雖然時(shí)間短，但還是很長(zhǎng)見(jiàn)識(shí)?！?/p>

說(shuō)到半導(dǎo)體行業(yè)，尤其是材料行業(yè)，那就不得不說(shuō)到日本。日本在半導(dǎo)體以及材料行業(yè)的地位，一直處于世界頂尖。這對(duì)宋海智無(wú)疑有著最大的吸引力，要想接觸到最前沿的技術(shù)，要想在半導(dǎo)體及材料領(lǐng)域做出一番事業(yè)，必須去日本。1998年，宋海智決定遠(yuǎn)赴東洋，而這一待就是16年，同時(shí)也鑄就了他人生中的一段輝煌征程。這16年里，他先后在日本筑波大學(xué)物理工學(xué)系任助教，在日本富士通研究所納米技術(shù)研究中心任研究員，又在富士通研究所納米電子研究中心任高級(jí)研究員，同時(shí)兼職日本東京大學(xué)量子電子情報(bào)研究機(jī)構(gòu)高級(jí)研究員。其中，在富士通的工作時(shí)間長(zhǎng)達(dá)10年之久，這也是宋海智“高產(chǎn)”的重要階段。

這期間，他發(fā)明了半導(dǎo)體量子點(diǎn)量子運(yùn)算陣列制備技術(shù)，并產(chǎn)生廣泛的國(guó)際影響，為學(xué)界同行不斷模仿跟蹤；成功開(kāi)發(fā)了1.3微米半導(dǎo)體量子點(diǎn)激光器材料的生產(chǎn)技術(shù)，其器件曾獲得日本文科省科技獎(jiǎng)、經(jīng)產(chǎn)省大臣獎(jiǎng)等多項(xiàng)國(guó)家級(jí)和國(guó)際獎(jiǎng)項(xiàng)，該器件完成量產(chǎn)化后市場(chǎng)表現(xiàn)良好；主持設(shè)計(jì)和研制了1.06微米半導(dǎo)體量子阱激光器，以此為基礎(chǔ)制成的純綠色激光器已經(jīng)產(chǎn)品化；研究設(shè)計(jì)了高性能1.55微米半導(dǎo)體量子點(diǎn)單光子源，以此實(shí)現(xiàn)了120km光纖量子密鑰分配。

作為晶片生產(chǎn)技術(shù)負(fù)責(zé)人，宋海智成功研制的1.3微米半導(dǎo)體量子點(diǎn)激光器有著其他產(chǎn)品無(wú)法比擬的優(yōu)良特性：?jiǎn)文］敵?，最高工作溫?00℃， 無(wú)錯(cuò)傳輸距離＞20km。與具有國(guó)際先進(jìn)水平的德國(guó)Innolume公司相關(guān)產(chǎn)品相比，在“直接調(diào)制比特率”和“穩(wěn)定工作溫度”等指標(biāo)方面處于均處于優(yōu)勢(shì)地位。該產(chǎn)品性能為國(guó)際最高水平，在日本QDLaser公司已經(jīng)量產(chǎn)化，并用于高速光纖通訊（國(guó)內(nèi)尚未有實(shí)用化的類(lèi)似產(chǎn)品）。

2016年3月，與諾貝爾獎(jiǎng)獲得者中村修二在電子科大探討合作。

作為材料生長(zhǎng)、芯片工藝及質(zhì)量評(píng)價(jià)負(fù)責(zé)人，宋海智成功開(kāi)發(fā)的純綠色半導(dǎo)體激光器，產(chǎn)品性能也同樣處于國(guó)際先進(jìn)水平：?jiǎn)文］敵觯兌?32nm，調(diào)制帶寬＞100M H z。該產(chǎn)品已經(jīng)由QDLaser公司量產(chǎn)化，將用于下一代微型投影儀等顯示設(shè)備（國(guó)內(nèi)尚未見(jiàn)類(lèi)似產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)成果）。

長(zhǎng)期從事半導(dǎo)體光電子材料和器件的研究以來(lái)，宋海智已發(fā)表學(xué)術(shù)論文120余篇，授權(quán)美國(guó)、歐洲、日本技術(shù)專(zhuān)利達(dá)25項(xiàng)，并多次在國(guó)際學(xué)術(shù)會(huì)議上作特邀報(bào)告。

面對(duì)如此多的驕人成績(jī)，宋海智直言：“完成了幾項(xiàng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)，我覺(jué)得這是我工作最驕傲的地方。說(shuō)實(shí)話(huà)，做產(chǎn)品這一路，都是一步一個(gè)腳印走過(guò)來(lái)的。”多年在日本的工作的切身經(jīng)歷，讓宋海智感受最深的就是：“在做科研方面，日本人并不一定比我們更有創(chuàng)造性，但是他們做一件事情能做得非常精細(xì)，做得非常到位。”而這種精益求精的科研態(tài)度，也深深影響著他。

學(xué)成歸國(guó)，助推光電材料

盡管在國(guó)外10余年創(chuàng)下了累累碩果，但這對(duì)宋海智來(lái)說(shuō)，并不是真正的價(jià)值實(shí)現(xiàn)。多少個(gè)日日夜夜，隔海而望的祖國(guó)時(shí)時(shí)刻刻牽繞在他心中。“用我所學(xué)，回報(bào)祖國(guó)，服務(wù)國(guó)家，希望能在光電子材料領(lǐng)域填補(bǔ)國(guó)內(nèi)空白。”這才是宋海智最大的理想。

于是，在2014年，宋海智毅然選擇全職回國(guó)。在他看來(lái)，回國(guó)有三大考慮：“一是科研做到一定程度，要尋找新的挑戰(zhàn)。國(guó)內(nèi)科研形勢(shì)一片大好，每個(gè)人都干勁很足，在不斷的出成果，這種積極的氛圍非常吸引人；二是個(gè)人的價(jià)值實(shí)現(xiàn)，要在科研中做出成就感；第三是實(shí)實(shí)在在的，發(fā)揮在國(guó)外這么多年所學(xué)所得，希望為咱們國(guó)內(nèi)解決某一方面的問(wèn)題，能夠貢獻(xiàn)一點(diǎn)力量。在半導(dǎo)體光電子材料這一方面，國(guó)內(nèi)產(chǎn)品的材料需求主要還是依靠進(jìn)口，材料問(wèn)題還沒(méi)有徹底解決，尤其是軍需品，如果基礎(chǔ)材料受制于人就會(huì)很被動(dòng)，只有掌握了這方面的核心技術(shù)，自給自足，自主開(kāi)發(fā)，才能掌握主動(dòng)權(quán)。”

“我就希望我可以有這個(gè)能力回來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題?！彼魏Ｖ侵毖?，“我有這個(gè)責(zé)任，而且我相信我也有這個(gè)能力，在半導(dǎo)體光電子材料方面，至少部分地解決我們國(guó)內(nèi)的需求?！?/p>

III-V族半導(dǎo)體多層異質(zhì)結(jié)光電材料是發(fā)展近紅外半導(dǎo)體光電器件的基礎(chǔ)核心材料，是影響近紅外半導(dǎo)體光電探測(cè)器與激光器性能的關(guān)鍵因素。該異質(zhì)結(jié)材料制備的水平直接關(guān)系到近紅外半導(dǎo)體光電探測(cè)器的量子轉(zhuǎn)化效率、雪崩倍增因子、光譜響應(yīng)范圍、噪聲因子與響應(yīng)時(shí)間等關(guān)鍵性能指標(biāo)；而近紅外半導(dǎo)體光電探測(cè)器作為基礎(chǔ)核心器件，其性能直接影響近紅外激光武器系統(tǒng)（包括激光制導(dǎo)、激光預(yù)警、激光成像探測(cè)等）的探測(cè)靈敏度、探測(cè)波段、探測(cè)距離等關(guān)鍵戰(zhàn)技指標(biāo)。同時(shí)，III-V族半導(dǎo)體多層異質(zhì)結(jié)光電材料也是研制半導(dǎo)體激光器等其他光電器件的核心基礎(chǔ)材料，因而具有廣泛的戰(zhàn)略意義和研究?jī)r(jià)值。

據(jù)宋海智介紹，目前國(guó)內(nèi)自主研發(fā)的III-V族半導(dǎo)體多層異質(zhì)結(jié)光電材料，在材料的均勻性、組分精確控制、膜層厚度精確控制等質(zhì)量方面與日本、美國(guó)的材料制備水平存在一定的差距，并不能滿(mǎn)足我國(guó)軍用近紅外半導(dǎo)體光電器件，特別是具有量子結(jié)構(gòu)的近紅外光電探測(cè)器的研制需要。而國(guó)外研制的高性能III-V族半導(dǎo)體多層異質(zhì)結(jié)光電材料對(duì)我國(guó)嚴(yán)格禁運(yùn)，這嚴(yán)重制約了我國(guó)近紅外光電探測(cè)器的發(fā)展。因此，開(kāi)展高性能多層異質(zhì)結(jié)光電材料研制能夠大大縮短我國(guó)在核心光電器件領(lǐng)域同國(guó)外的差距。

而宋海智所掌握的異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體材料生長(zhǎng)的精密制備技術(shù)已成功地運(yùn)用于半導(dǎo)體光電子器件（主要包括半導(dǎo)體光電探測(cè)器和半導(dǎo)體激光器），其中新型的半導(dǎo)體量子點(diǎn)激光器，目前在國(guó)外即將進(jìn)入實(shí)用階段，國(guó)內(nèi)的開(kāi)發(fā)尚有待展開(kāi)。

除了擁有堅(jiān)實(shí)的半導(dǎo)體物理理論基礎(chǔ)，宋海智在半導(dǎo)體光電子學(xué)領(lǐng)域還有著20多年的研發(fā)經(jīng)驗(yàn)，不但掌握了利用MBE(分子束外延）、MOCVD(金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積）等手段制備多層異質(zhì)結(jié)光電材料的核心技術(shù)，而且在III-V族半導(dǎo)體多層異質(zhì)結(jié)光電材料的研制上獨(dú)有“專(zhuān)長(zhǎng)”。這將有力地推動(dòng)國(guó)內(nèi)軍用半導(dǎo)體光電子器件的發(fā)展，大大縮短國(guó)內(nèi)半導(dǎo)體多層異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料的制備技術(shù)與國(guó)際前沿水平的差距。

2014年全職回國(guó)后，宋海智首先選擇加入西南技術(shù)物理研究所，負(fù)責(zé)光電子材料的研發(fā)。在宋海智看來(lái)，做光電子材料，首先要選擇突破口和切入點(diǎn)，而這個(gè)突破口就是西南技術(shù)物理研究所。

西南技術(shù)物理研究所肩負(fù)著發(fā)展國(guó)內(nèi)激光材料、激光探測(cè)器、激光器及激光武器應(yīng)用的重要使命，不言而喻，高性能的光電材料是其研發(fā)基礎(chǔ)的重中之重。

在大面陣雪崩探測(cè)器的制備上，由于國(guó)際上軍用面陣探測(cè)器材料對(duì)我國(guó)嚴(yán)格禁運(yùn)，這就使我們的焦平面探測(cè)器無(wú)法實(shí)現(xiàn)完全國(guó)產(chǎn)化，瓶頸始終沒(méi)有突破，極大地限制了激光成像探測(cè)技術(shù)及其應(yīng)用裝備的發(fā)展。而憑借多年掌握的多層異質(zhì)結(jié)光電子材料制備的核心技術(shù)，尤其是在III-V族半導(dǎo)體多層異質(zhì)結(jié)光電子材料方面的專(zhuān)長(zhǎng)，宋海智將為激光焦平面探測(cè)器的研制解決基礎(chǔ)問(wèn)題——材料。在宋海智和團(tuán)隊(duì)的共同努力下，目前，該所研制材料的綜合技術(shù)參數(shù)已與國(guó)際先進(jìn)水平相當(dāng)，初步克服了激光焦平面探測(cè)器國(guó)產(chǎn)化的瓶頸難題，從而有力提升我國(guó)軍用半導(dǎo)體光電探測(cè)器的綜合性能，促進(jìn)激光成像雷達(dá)等先進(jìn)光電武器裝備的發(fā)展，大大縮短與國(guó)外先進(jìn)水平的差距。

2008年使用光電子材料開(kāi)發(fā)設(shè)備

以雪崩探測(cè)器所需要的材料作為切入點(diǎn)，經(jīng)過(guò)不斷研究，宋海智和團(tuán)隊(duì)已基本實(shí)現(xiàn)了半導(dǎo)體雪崩光電探測(cè)器材料的自主研制。

借科大之力，搭建西部平臺(tái)

2015年6月，在電子科技大學(xué)基礎(chǔ)與前沿研究院和光電信息學(xué)院的聯(lián)合引進(jìn)下，宋海智加入了電子科大。在這里，他將充分發(fā)揮在科研院所和產(chǎn)業(yè)界長(zhǎng)期積累的優(yōu)勢(shì)，結(jié)合電子科技大學(xué)的學(xué)科特點(diǎn)，展現(xiàn)其在基礎(chǔ)研究領(lǐng)域引領(lǐng)性作用，致力于學(xué)科建設(shè)和人才培養(yǎng)，推動(dòng)學(xué)校在光電學(xué)科領(lǐng)域的發(fā)展。

宋海智表示，自己也非常榮幸成為成電子科大的一份子。他說(shuō)，電子科大有著深厚的歷史積淀和良好的學(xué)術(shù)氛圍，感謝學(xué)校提供的良好基礎(chǔ)研究和創(chuàng)新平臺(tái)。這兩三年來(lái)，他依托基礎(chǔ)與前沿研究院和光電信息學(xué)院，努力為學(xué)校作出應(yīng)有的貢獻(xiàn)。

除了半導(dǎo)體光電子材料的研究，宋海智比較感興趣的還有量子信息研究。目前，宋海智在電子科技大學(xué)正著力進(jìn)行量子信息器件方面的相關(guān)研究。

近幾年來(lái)，關(guān)于量子信息研究的相關(guān)報(bào)道異?；馃?，我國(guó)成功發(fā)射量子衛(wèi)星及其相關(guān)量子通信試驗(yàn)，在國(guó)際相關(guān)研究領(lǐng)域帶來(lái)了重大影響。有人稱(chēng)，“在當(dāng)前的信息技術(shù)中，量子科技是最具革命性前景的，將顛覆人類(lèi)未來(lái)?！睙o(wú)論是在量子芯片、量子通信和量子計(jì)算等量子效應(yīng)的深度應(yīng)用，還是在顯示的初露鋒芒，量子科技都呈現(xiàn)出了充滿(mǎn)無(wú)限想象的未來(lái)。

而早在十幾年前，宋海智就開(kāi)始了量子信息的研究，產(chǎn)出了一批發(fā)明專(zhuān)利。在日本東京大學(xué)量子電子情報(bào)研究機(jī)構(gòu)工作期間，又參與實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)距離光纖量子通信。根據(jù)這些經(jīng)驗(yàn)，盡管量子技術(shù)的相關(guān)研究比較火熱，但仍然存在著一系列瓶頸問(wèn)題。宋海智表示：“目前量子技術(shù)所需要的一些器件還不成熟，我們想通過(guò)我們的半導(dǎo)體技術(shù)，來(lái)解決現(xiàn)在面臨的實(shí)際問(wèn)題?！?/p>

毫無(wú)疑問(wèn)，我國(guó)在量子信息領(lǐng)域的研究已處于世界前沿水平，但宋海智明顯感覺(jué)到：“國(guó)內(nèi)在這一方面的發(fā)展還不平衡，東西部差距還很明顯?！蹦懿荒茉谖鞑恳步⒘孔有畔⒀芯炕兀窟@成了宋海智的一個(gè)想法，并致力于推動(dòng)平臺(tái)的建設(shè)。

除了個(gè)人興趣，宋海智坦言，自己也有一點(diǎn)“野心”：抓住目前國(guó)內(nèi)以及世界整體發(fā)展的方向，在基礎(chǔ)技術(shù)方面跟上國(guó)際步伐；能有所創(chuàng)新，擁有我們自己的自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的量子產(chǎn)品。對(duì)于目前的工作，宋海智表示：“我們會(huì)重點(diǎn)解決量子信息技術(shù)在實(shí)現(xiàn)應(yīng)用或者產(chǎn)業(yè)化過(guò)程中遇到的必須解決的器件問(wèn)題?！?/p>

眼下，宋海智正在建設(shè)兩班團(tuán)隊(duì)，有條不紊地開(kāi)展相關(guān)研究工作。在團(tuán)隊(duì)建設(shè)和人才培養(yǎng)上，宋海智也有自己的心得和原則：“團(tuán)隊(duì)要有一個(gè)開(kāi)放的體制；培養(yǎng)學(xué)生不只是為項(xiàng)目、為團(tuán)隊(duì)培養(yǎng)，更要為社會(huì)培養(yǎng)，要有一個(gè)開(kāi)放的心態(tài)和眼光；要培養(yǎng)一批能夠支撐起半導(dǎo)體光電材料整個(gè)產(chǎn)業(yè)的人才?！?/p>

“我們的目標(biāo)就是要建立我們國(guó)家自己的半導(dǎo)體光電子材料生產(chǎn)平臺(tái)，將來(lái)我們國(guó)內(nèi)光電子器件生產(chǎn)所需材料都由我們自己來(lái)提供?！北M管萬(wàn)事開(kāi)頭難，前期啟動(dòng)性質(zhì)的基礎(chǔ)工作并不好做，但宋海智始終滿(mǎn)懷信心，同時(shí)他表示，“要做成這么一件有意義的事，并非一人或一個(gè)單位所能完成的，希望能聯(lián)合其他單位的有關(guān)專(zhuān)家一起做”。明知山有虎，偏向虎山行。宋海智清楚知道前面的路并不好走，回國(guó)這3年他也從未停止過(guò)努力，為獲得民間資本或地方政府資助，他一直在奔波著。

最后，宋海智表達(dá)了自己的殷切期望：“如果地方或者國(guó)家層面能夠再給予更大的扶持和支持的力度的話(huà)，我想我們的目標(biāo)一定指日可待?！彼魏Ｖ呛苷J(rèn)真地說(shuō)道：“無(wú)論如何，我們自己永不退縮，會(huì)朝著建立和完善我國(guó)半導(dǎo)體光電子材料產(chǎn)業(yè)的目標(biāo)不斷地前行?！?/p>

專(zhuān)家簡(jiǎn)介：

宋海智，國(guó)家“千人計(jì)劃”特聘專(zhuān)家，電子科技大學(xué)教授。1990年畢業(yè)于南京大學(xué)物理系半導(dǎo)體物理與器件專(zhuān)業(yè)，獲理學(xué)學(xué)士學(xué)位；1995年畢業(yè)于北京大學(xué)物理系凝聚態(tài)物理專(zhuān)業(yè)，獲理學(xué)博士學(xué)位；1997年完成南京大學(xué)物理系博士后研究；1998年赴比利時(shí)魯汶大學(xué)物理系作訪(fǎng)問(wèn)學(xué)者；1998～2001年，在日本筑波大學(xué)物理工學(xué)系任助教；2001～2004年，在日本富士通研究所納米技術(shù)研究中心任研究員；2004～2014年，在日本富士通研究所納米電子研究中心任高級(jí)研究員，同時(shí)兼職日本東京大學(xué)量子電子情報(bào)研究機(jī)構(gòu)高級(jí)研究員。長(zhǎng)期從事半導(dǎo)體光電子材料和器件的研究，至今已發(fā)表學(xué)術(shù)論文120多篇，授權(quán)美國(guó)、歐洲、日本技術(shù)專(zhuān)利25項(xiàng)，多次在國(guó)際學(xué)術(shù)會(huì)議上作特邀報(bào)告,并成功研發(fā)了多種半導(dǎo)體光電子產(chǎn)品。