越雄關(guān)漫道 修科研真經(jīng)

吳應(yīng)清

第三代半導(dǎo)體火了！

2020年9月，網(wǎng)上流傳的一則“中國正在規(guī)劃將大力支持發(fā)展第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)寫入‘十四五’規(guī)劃之中”的消息，讓第三代半導(dǎo)體相關(guān)股市板塊逆勢而上，并持續(xù)飄紅。加之，鮮少露面的中芯國際創(chuàng)始人、中國半導(dǎo)體之父張汝京在中國第三代半導(dǎo)體發(fā)展機遇交流峰會上強調(diào)了發(fā)展第三代半導(dǎo)體的重要性，并表示“中國半導(dǎo)體材料與國外的差距已不是那么大，我很樂觀地相信可以追上”，更是讓無數(shù)人將目光聚焦到了這一新興半導(dǎo)體材料上。

那么，什么是第三代半導(dǎo)體？

第一代半導(dǎo)體以硅（Si）和鍺（Ge）為代表，目前大部分半導(dǎo)體是基于硅基的。

第二代半導(dǎo)體以砷化鎵（GaAs）、磷化鎵（GaP）為代表，是4G時代的大部分通信設(shè)備的材料。

第三代半導(dǎo)體以氮化鎵（GaN）、碳化硅（SiC）、氧化鋅（ZnO）、金剛石為四大代表，是5G時代的主要材料。它將在無線通信、汽車電子、電網(wǎng)、高鐵、衛(wèi)星通信、軍工雷達(dá)、航空航天等領(lǐng)域應(yīng)用中具備硅基無可比擬的優(yōu)勢。

雖然，第三代半導(dǎo)體的“走紅”勢必會加快中國半導(dǎo)體材料的追趕腳步，但是不可否認(rèn)的是，想要追上甚至超越國際水平，還有較長的一段路要走。南京大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院教授修向前就是走在這條路上的人。20多年來，他一直從事GaN基于Ⅲ族氮化物寬帶隙半導(dǎo)體襯底材料、生長設(shè)備和器件等的研究和應(yīng)用，致力于在半導(dǎo)體領(lǐng)域打破更多困局，走出一條獨立自主的創(chuàng)新之路。

選擇——鐘其一事，顧其一生

上大學(xué)之前，修向前聽說“材料科學(xué)、能源科學(xué)、信息科學(xué)將是21世紀(jì)的三大支柱產(chǎn)業(yè)”，于是他在填報高考志愿時，選擇了中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的材料物理專業(yè)，早期叫晶體專業(yè)。之后，在中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)“4-2-3分流”培養(yǎng)計劃的支持下，修向前先后取得碩士和博士學(xué)位，師從我國晶體物理學(xué)家湯洪高和王大志教授，主要從事納米材料和中低溫燃料電池材料的研究。

20世紀(jì)80年代末期，日本日亞化學(xué)公司的Nakamura等人經(jīng)過不懈努力突破了制造藍(lán)光LED的關(guān)鍵技術(shù)。GaN基藍(lán)色LED的出現(xiàn)，大大擴展了LED的應(yīng)用領(lǐng)域，從此掀起了第三代半導(dǎo)體材料GaN基半導(dǎo)體照明的革命。

修向前偶然在一次學(xué)術(shù)報告中得知GaN是重要的第三代半導(dǎo)體材料，且具有禁帶寬度大、高電子漂移飽和速度、導(dǎo)熱性能好、化學(xué)穩(wěn)定性高等優(yōu)點，由此對該領(lǐng)域產(chǎn)生了極大的科研興趣。

1997年，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)和日本電氣通信大學(xué)進行合作交流項目，在該項目的支持下，修向前到日本電氣通信大學(xué)留學(xué)一年，也就在這時，他的研究方向轉(zhuǎn)向了GaN材料領(lǐng)域?！叭ブ埃x擇一個研究方向，寫一個研究計劃，我就選擇了氮化鎵方向。當(dāng)時，日本在氮化鎵方面的研究水平在世界范圍內(nèi)領(lǐng)先，正好有這樣一個機會我可以去看看，學(xué)習(xí)一下?！毙尴蚯罢f道。

在日本電氣通信大學(xué)，修向前因陋就簡，利用現(xiàn)有的高頻Plasma CVD設(shè)備研究在較低溫度下生長GaN的可行性。通過這段研究經(jīng)歷，修向前堅定了未來從事GaN方向研究工作的信念。

2000年，博士畢業(yè)后，修向前進入南京大學(xué)物理系進行博士后研究。說起他與南京大學(xué)的淵源，要追溯到1995年他的本科實習(xí)。實習(xí)期間，修向前曾來到南京大學(xué)參觀，南京大學(xué)物理系的施毅教授為前來參觀的學(xué)生介紹了金屬有機物氣相外延（MOCVD）技術(shù)，給他留下了深刻的印象。加之，修向前也了解到當(dāng)時在南京大學(xué)任職的張榮教授、沈波教授等人是國內(nèi)早期研究GaN材料的學(xué)者，在該領(lǐng)域已做出了很多突破性成果，因此他義無反顧地來到了南京大學(xué)。

修向前回憶說：“當(dāng)時是張教授和沈教授面試我，通過那次面試，我發(fā)現(xiàn)自己對氮化鎵的了解不夠深入，他們提出的很多問題，我都不能很好地回答出來?！泵嬖囘^程中，修向前將這些問題記住，在面試結(jié)束后花了幾個月的時間對這些問題進行了深入的學(xué)習(xí)和理解。

修向前還記得進入南京大學(xué)物理系后，張榮教授找他第一次談話的情景。張榮教授問他，在氮化鎵方面，是想做偏重技術(shù)的研究，還是想做偏重理論的研究。修向前認(rèn)為氮化鎵在工程應(yīng)用方面很重要，他想將相關(guān)工藝做好，完善相關(guān)設(shè)備，真正解決氮化鎵襯底制備的難題。于是，他選擇了做技術(shù)研究。

至今，修向前已經(jīng)在氮化鎵領(lǐng)域摸爬滾打了20年。在他看來，氮化鎵襯底制備難題是一塊“硬骨頭”，而他立志要做一個敢啃“硬骨頭”的人。

成長——迎著困難的進階之路

來到南京大學(xué)物理系（2010年轉(zhuǎn)入新成立的電子科學(xué)與工程學(xué)院）后，在鄭有炓院士和張榮教授的指導(dǎo)下，修向前很快就申請到了原“863”項目“高質(zhì)量大尺寸自支撐GaN襯底技術(shù)”。該項目采用具有高生長速率的氫化物氣相外延（HVPE）技術(shù)在藍(lán)寶石襯底上生長GaN厚膜，再通過激光剝離技術(shù)去除藍(lán)寶石，從而獲得自支撐GaN襯底。經(jīng)過3年的系統(tǒng)研究，修向前在低位錯密度GaN橫向外延技術(shù)、GaN厚膜均勻生長技術(shù)和GaN外延層/襯底激光剝離技術(shù)方面取得了一系列具有全部自主知識產(chǎn)權(quán)的成果，申請了10余項發(fā)明專利。在該項目中，張榮和修向前團隊研制出了國內(nèi)第一臺臥式HVPE設(shè)備，生長速率達(dá)到每小時幾十微米，并在2005年研制出了國內(nèi)第一片2英寸高質(zhì)量自支撐GaN襯底材料。

團隊采用激光掃描輻照技術(shù)將藍(lán)寶石襯底與GaN厚膜分離，獲得高質(zhì)量GaN自支撐襯底。大面積GaN襯底通常都是在異質(zhì)襯底（如藍(lán)寶石、SiC、Si等）上氣相生長GaN厚膜，然后將原異質(zhì)襯底分離后獲得的。其中在藍(lán)寶石襯底上生長GaN最普遍。為了得到自支撐GaN襯底，必須除去藍(lán)寶石襯底。由于藍(lán)寶石極其穩(wěn)定，難以采用化學(xué)腐蝕方法。一般的方法是用機械磨削，但因藍(lán)寶石很硬，不僅要消耗大量的金剛石磨料，成本很高而且速度極慢。采用激光輻照的方法，利用激光對GaN厚膜和襯底的界面區(qū)加熱使之分解，可以快速、無損傷地獲得自支撐GaN襯底。

由于藍(lán)寶石和GaN之間的大晶格失配和熱失配導(dǎo)致藍(lán)寶石外延的GaN薄膜中存在很大應(yīng)力，在采用激光輻照的方法進行剝離時，激光輻照造成的熱沖擊會很容易使得GaN襯底樣品碎掉，所以需要仔細(xì)控制激光能量密度及掃描方式。在當(dāng)時，國內(nèi)還沒有一家機構(gòu)能夠利用該方法取得高質(zhì)量GaN自支撐襯底。因此，2004年項目驗收時，有專家評價，南京大學(xué)利用激光掃描輻照技術(shù)制備出1.5英寸的GaN自支撐襯底在當(dāng)時是一個很大的突破。2005年，修向前團隊再接再厲，又成功制備出2英寸的GaN自支撐襯底，其厚度達(dá)到了1.2毫米以上。

“寶劍鋒從磨礪出，梅花香自苦寒來”，沒有一件事是隨隨便便就能成功的。在項目攻關(guān)過程中，由于實驗設(shè)備和實驗環(huán)境有限，修向前團隊的研究工作也曾面臨著很多困難。

修向前回憶道，剛?cè)肼殨r，相關(guān)的科研設(shè)備才搭建到一半，他花了兩個多月的時間與研究生一起將設(shè)備搭建好才開始研究工作。當(dāng)時實驗設(shè)備簡陋，經(jīng)常會發(fā)生氨氣、氯化氫泄漏。因為沒有經(jīng)驗，尾氣處理部分設(shè)計出現(xiàn)失誤，導(dǎo)致設(shè)備在第一次正式生長GaN時，由于大量的氯化銨生成，水處理裝置中氯化銨飽和形成的晶體堵住了氣體出口，用于水處理的玻璃容器直接炸裂。在進行材料外延生長時，由于沒有及時檢測的手段和儀器，研究人員只能依靠光學(xué)顯微鏡觀察藍(lán)寶石上GaN的成核情況。在項目攻關(guān)最緊要的階段，將近4個月的時間，修向前每天就睡了兩個多小時，在設(shè)備旁邊支起鋼絲床，時刻觀察設(shè)備運行情況。

除此之外，在激光掃描輻照技術(shù)將藍(lán)寶石襯底與GaN厚膜分離時，修向前團隊面臨著一個很大的難題：因為生長在藍(lán)寶石上的GaN厚膜樣品應(yīng)力非常大，激光打上去樣品就碎了。一開始，團隊采用點掃描的方式，一個點一個點地打，一行一行地掃，這樣的實驗做了上千次，依舊以失敗告終，無法獲得完整的GaN自支撐襯底。幾經(jīng)研究之后，修向前團隊轉(zhuǎn)變思路，將翹曲很嚴(yán)重的復(fù)合GaN厚膜/藍(lán)寶石襯底倒扣在加熱的陶瓷板表面，陶瓷板溫度保持在650℃～800℃下，這個時候，藍(lán)寶石和GaN之間的熱失配應(yīng)力基本消除，復(fù)合襯底本身是平整的，而不是原來那樣凸出，再用準(zhǔn)分子激光器進行輻照，最終得到了平整無翹曲的GaN自支撐襯底。值得一提的是，當(dāng)時使用的準(zhǔn)分子激光器是去其他實驗室借用的，用于加熱的電爐是自己帶過去的，當(dāng)時陶瓷板的溫度就是用普通的電爐通過耐火磚圍起來達(dá)到的。整個過程峰回路轉(zhuǎn)，不禁令人感慨。

2005年，由國家新材料行業(yè)生產(chǎn)力促進中心和國家半導(dǎo)體照明工程研發(fā)及產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟共同編纂的《中國半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)發(fā)展報告》提到：“我國是第三個擁有LED襯底技術(shù)專利最多的國家，主要發(fā)展的是GaN襯底技術(shù)，涉及GaN襯底技術(shù)的有10項”，南京大學(xué)同期有8項相關(guān)專利，此外還有很多相關(guān)論文被美國專利引用。同年，修向前團隊的研究工作被列入“十五”原“863”優(yōu)秀成果。

“我們這個工作主要是在張榮教授的指導(dǎo)下完成的，張榮教授應(yīng)該是國內(nèi)系統(tǒng)性從事GaN襯底研究工作的第一人，在美國訪問期間，曾搭建了第一臺立式HVPE設(shè)備。我到南京大學(xué)后，張榮教授剛從國外回來不久。HVPE設(shè)備搭建完成后，他每天都會抽出時間來看看我們的工作進展。因為藍(lán)寶石和氮化鎵都是透明的，所以氮化鎵長在藍(lán)寶石上很難看出來。實事求是地講，我當(dāng)時沒有經(jīng)驗，確實看不出來，張教授就耐心地指給我看，直到我自己后來也能在光學(xué)顯微鏡下找到GaN成核點。所以說，張教授對我的指導(dǎo)和幫助非常大，沒有張榮教授的領(lǐng)導(dǎo)，我們在GaN方面不會取得這么大的成果，真的很感謝他。自從我們研制出國內(nèi)第一片自支撐GaN襯底后，國外開始向中國銷售GaN襯底。國外相關(guān)設(shè)備公司也跟我們接觸，希望合作將我們的設(shè)備技術(shù)集成到他們的系統(tǒng)中，或者干脆想直接賣設(shè)備給我們?！毙尴蚯罢f道。

擔(dān)當(dāng)——積極推動國產(chǎn)裝備產(chǎn)業(yè)化

近十幾年來，GaN襯底的重要性推動了HVPE設(shè)備和GaN襯底外延研究取得較大的進展。特別是日本在GaN襯底產(chǎn)業(yè)化方面處于領(lǐng)先地位。雖然南京大學(xué)于2005年研制出了國內(nèi)第一片自支撐GaN襯底，并在其后的時間里相繼研發(fā)了各種類型和各種襯底尺寸的HVPE設(shè)備，國內(nèi)其他單位也實現(xiàn)了2英寸GaN氮化鎵襯底的小批量供應(yīng)，但是相比碳化硅襯底，氮化鎵襯底產(chǎn)業(yè)仍然遠(yuǎn)遠(yuǎn)落在后面。

修向前表示，目前從國內(nèi)的情況看來，我國并沒有完全實現(xiàn)GaN襯底裝備的產(chǎn)業(yè)化?！耙驗樽龅壱r底確實是一個非常難的工作”，以HVPE設(shè)備為例，國際上很多大公司從21世紀(jì)初就開始對HVPE設(shè)備進行研究，但至今仍沒有一家實現(xiàn)HVPE設(shè)備的商品化。歐洲某半導(dǎo)體設(shè)備巨頭曾試圖推廣HVPE設(shè)備，但是很不成功，由于該公司并不具有GaN厚膜外延方面的技術(shù)，從使用效果上來說并不理想。所以實現(xiàn)GaN襯底生長設(shè)備以及襯底的產(chǎn)業(yè)化是目前全世界面臨的難題。其中，用于GaN襯底制備的HVPE設(shè)備技術(shù)迄今沒有實現(xiàn)商品化，GaN襯底制備工藝不夠成熟，共同導(dǎo)致GaN襯底價格昂貴、產(chǎn)量很低，這些都限制了GaN襯底的應(yīng)用。

2017年9月，修向前承擔(dān)的國家重點研發(fā)計劃戰(zhàn)略性電子材料重點專項“第三代半導(dǎo)體核心關(guān)鍵裝備”項目正式啟動。該項目為滿足半導(dǎo)體固態(tài)照明、紫外照明和探測、高功率高壓電力電子器件等領(lǐng)域所用高端光電子材料對設(shè)備的需求，提出了發(fā)展第三代半導(dǎo)體材料核心裝備制造技術(shù)。其中，6英寸GaN襯底用HVPE設(shè)備的研發(fā)實施將使得我國在半導(dǎo)體高端設(shè)備研究方面達(dá)到國際領(lǐng)先水平。

“通過該項目，我想將我們前十幾年的研究成果進行系統(tǒng)綜合，并基于此，將GaN襯底裝備做成能夠推廣的商品化設(shè)備?！毙尴蚯氨硎荆S著工作的推進，他對HVPE設(shè)備和GaN襯底外延研究有了更加深入、更加透徹的認(rèn)識和理解。

“在早期，大家沒有氮化鎵模板，只能直接在藍(lán)寶石上外延氮化鎵。后來有了MOCVD技術(shù)以后，雖然重復(fù)性會好一些，但是成本提高了?！痹谠擁椖恐?，修向前團隊實現(xiàn)了HVPE設(shè)備的重復(fù)性幾乎可達(dá)百分之百，大幅度降低了成本。在這之前，修向前已經(jīng)完成了GaN襯底在藍(lán)寶石上直接生長自剝離的研究，兩者結(jié)合最終進一步降低了GaN襯底生長的成本，且良率較高。至今，立足于該項目，修向前團隊已經(jīng)申請了十幾項核心發(fā)明專利，并正在構(gòu)建專利池。

“為什么這么多年，我只做氮化鎵襯底方面的研究，也沒想過改變研究方向？我就是想將這方向做成熟，真正實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。我們的目標(biāo)是，利用我們的技術(shù)做成全世界最大的氮化鎵襯底產(chǎn)業(yè)。”修向前表示，相關(guān)的技術(shù)問題已大部分解決，目前正在考慮成果落地的工作。除此之外，核心關(guān)鍵裝備技術(shù)的研究還要與用戶實際需求相結(jié)合，為將來國產(chǎn)裝備的落地找好“出口”。

育人——興趣和勤奮是成功的階梯

“學(xué)問必須合乎自己的興趣，方可得益?！?0多年的科研路上，修向前過五關(guān)斬六將，克服了重重難關(guān)，解決了大大小小的難題，交出了一張張成績優(yōu)秀的答卷。而支撐他一路披荊斬棘、乘風(fēng)破浪的主要原因就是他對科研工作的熱愛。

在修向前看來，興趣是做好科研的重要動力，只有保持對科學(xué)研究的熱愛和對未知的好奇，才能持續(xù)在這條路上走下去。因此，在教學(xué)工作中，他十分重視學(xué)生的興趣培養(yǎng)。除了興趣之外，他認(rèn)為，勤奮也是科研路上的必備品質(zhì)。他說道：“學(xué)好自己的專業(yè)課程，毋庸置疑是學(xué)生時代最重要的任務(wù)。我個人認(rèn)為，基礎(chǔ)知識的學(xué)習(xí)對未來的科研工作是非常重要的，只有打好專業(yè)基礎(chǔ)，才能走得更加扎實?！?/p>

目前，修向前承擔(dān)著大學(xué)本科課程和研究生課程的教學(xué)任務(wù)，除了毫不保留地傳授知識外，他還注重從做科研的角度培養(yǎng)學(xué)生，例如鼓勵學(xué)生自主展開學(xué)習(xí)，到實驗室進行實踐等。他表示：“光有基礎(chǔ)知識是不夠的，你還要學(xué)會將自己的知識應(yīng)用到科研工作當(dāng)中。我們很看重學(xué)生的閱讀文獻的能力、發(fā)現(xiàn)問題的能力以及解決問題的能力，這些都是非常關(guān)鍵的。我們希望，學(xué)生不僅有扎實的理論知識，還要有很強的動手能力?！?/p>

“人若志趣不遠(yuǎn)，心不在焉，雖學(xué)無成。”修向前坦言，他對科學(xué)研究的興趣來源于，他認(rèn)為自己所從事的科研工作是非常重要的。支持他不斷前進的動力除了對科學(xué)研究的興趣之外，還有對第三代半導(dǎo)體材料技術(shù)發(fā)展的使命感，于他而言，在該領(lǐng)域貢獻自己的力量就是實現(xiàn)自己的人生價值。與此同時，他也希望在興趣之外，學(xué)生們也可以樹立為國家某一個行業(yè)或某一個領(lǐng)域貢獻自己力量的志向。

如今，第三代半導(dǎo)體材料技術(shù)正在成為搶占下一代信息技術(shù)、節(jié)能減排及國防安全制高點的最佳途徑之一，是戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的重要組成內(nèi)容。作為核心技術(shù)之一，GaN襯底相關(guān)技術(shù)在新時代更是有著舉足輕重的作用。在該領(lǐng)域，修向前正在加速開疆拓土。采訪的最后，談起未來的打算，他想了想還是那句話：“加快成果落地，做成全世界最大的氮化鎵襯底產(chǎn)業(yè)?！?/p>

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