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(shì)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(jī)遇交流峰會(huì)上強(qiáng)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(shí)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(shí)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(shì)。

雖然，第三代半導(dǎo)體的“走紅”勢(shì)必會(huì)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(zhǎng)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(zhǎng)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(dú)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(bào)高考志愿時(shí)，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(jì)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(kuò)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(bào)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(diǎn)，由此對(duì)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(jìn)行合作交流項(xiàng)目，在該項(xiàng)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(shí)，他的研究方向轉(zhuǎn)向了GaN材料領(lǐng)域?！叭ブ埃x擇一個(gè)研究方向，寫一個(gè)研究計(jì)劃，我就選擇了氮化鎵方向。當(dāng)時(shí)，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(gè)機(jī)會(huì)我可以去看看，學(xué)習(xí)一下。”修向前說道。

在日本電氣通信大學(xué)，修向前因陋就簡(jiǎn)，利用現(xiàn)有的高頻Plasma CVD設(shè)備研究在較低溫度下生長(zhǎng)GaN的可行性。通過這段研究經(jīng)歷，修向前堅(jiān)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(jìn)入南京大學(xué)物理系進(jìn)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(shí)習(xí)。實(shí)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(jī)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(shí)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(shí)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(duì)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(gè)月的時(shí)間對(duì)這些問題進(jìn)行了深入的學(xué)習(xí)和理解。

修向前還記得進(jìn)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(gè)敢啃“硬骨頭”的人。

成長(zhǎng)——迎著困難的進(jìn)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(qǐng)到了原“863”項(xiàng)目“高質(zhì)量大尺寸自支撐GaN襯底技術(shù)”。該項(xiàng)目采用具有高生長(zhǎng)速率的氫化物氣相外延（HVPE）技術(shù)在藍(lán)寶石襯底上生長(zhǎng)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(cuò)密度GaN橫向外延技術(shù)、GaN厚膜均勻生長(zhǎng)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(shí)產(chǎn)權(quán)的成果，申請(qǐng)了10余項(xiàng)發(fā)明專利。在該項(xiàng)目中，張榮和修向前團(tuán)隊(duì)研制出了國內(nèi)第一臺(tái)臥式HVPE設(shè)備，生長(zhǎng)速率達(dá)到每小時(shí)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(tuán)隊(duì)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(zhǎng)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(zhǎng)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(jī)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(duì)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(jìn)行剝離時(shí)，激光輻照造成的熱沖擊會(huì)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(shí)，國內(nèi)還沒有一家機(jī)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(xiàng)目驗(yàn)收時(shí)，有專家評(píng)價(jià)，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(shí)是一個(gè)很大的突破。2005年，修向前團(tuán)隊(duì)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(xiàng)目攻關(guān)過程中，由于實(shí)驗(yàn)設(shè)備和實(shí)驗(yàn)環(huán)境有限，修向前團(tuán)隊(duì)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(shí)，相關(guān)的科研設(shè)備才搭建到一半，他花了兩個(gè)多月的時(shí)間與研究生一起將設(shè)備搭建好才開始研究工作。當(dāng)時(shí)實(shí)驗(yàn)設(shè)備簡(jiǎn)陋，經(jīng)常會(huì)發(fā)生氨氣、氯化氫泄漏。因?yàn)闆]有經(jīng)驗(yàn)，尾氣處理部分設(shè)計(jì)出現(xiàn)失誤，導(dǎo)致設(shè)備在第一次正式生長(zhǎng)GaN時(shí)，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(jìn)行材料外延生長(zhǎng)時(shí)，由于沒有及時(shí)檢測(cè)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(xiàng)目攻關(guān)最緊要的階段，將近4個(gè)月的時(shí)間，修向前每天就睡了兩個(gè)多小時(shí)，在設(shè)備旁邊支起鋼絲床，時(shí)刻觀察設(shè)備運(yùn)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(shí)，修向前團(tuán)隊(duì)面臨著一個(gè)很大的難題：因?yàn)樯L(zhǎng)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(tuán)隊(duì)采用點(diǎn)掃描的方式，一個(gè)點(diǎn)一個(gè)點(diǎn)地打，一行一行地掃，這樣的實(shí)驗(yàn)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(tuán)隊(duì)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(gè)時(shí)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(jìn)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(shí)使用的準(zhǔn)分子激光器是去其他實(shí)驗(yàn)室借用的，用于加熱的電爐是自己帶過去的，當(dāng)時(shí)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(gè)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(jìn)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(bào)告》提到：“我國是第三個(gè)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(xiàng)”，南京大學(xué)同期有8項(xiàng)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(tuán)隊(duì)的研究工作被列入“十五”原“863”優(yōu)秀成果。

“我們這個(gè)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(tái)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(huì)抽出時(shí)間來看看我們的工作進(jìn)展。因?yàn)樗{(lán)寶石和氮化鎵都是透明的，所以氮化鎵長(zhǎng)在藍(lán)寶石上很難看出來。實(shí)事求是地講，我當(dāng)時(shí)沒有經(jīng)驗(yàn)，確實(shí)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(diǎn)。所以說，張教授對(duì)我的指導(dǎo)和幫助非常大，沒有張榮教授的領(lǐng)導(dǎo)，我們?cè)贕aN方面不會(huì)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。”修向前說道。

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

近十幾年來，GaN襯底的重要性推動(dòng)了HVPE設(shè)備和GaN襯底外延研究取得較大的進(jìn)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(shí)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(shí)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(shí)現(xiàn)GaN襯底裝備的產(chǎn)業(yè)化?！耙?yàn)樽龅壱r底確實(shí)是一個(gè)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(duì)HVPE設(shè)備進(jìn)行研究，但至今仍沒有一家實(shí)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(shí)現(xiàn)GaN襯底生長(zhǎng)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(shí)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(jià)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(diǎn)研發(fā)計(jì)劃戰(zhàn)略性電子材料重點(diǎn)專項(xiàng)“第三代半導(dǎo)體核心關(guān)鍵裝備”項(xiàng)目正式啟動(dòng)。該項(xiàng)目為滿足半導(dǎo)體固態(tài)照明、紫外照明和探測(cè)、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(duì)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(shí)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(xiàng)目，我想將我們前十幾年的研究成果進(jìn)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(jìn)，他對(duì)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(shí)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(huì)好一些，但是成本提高了?！痹谠擁?xiàng)目中，修向前團(tuán)隊(duì)實(shí)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(zhǎng)自剝離的研究，兩者結(jié)合最終進(jìn)一步降低了GaN襯底生長(zhǎng)的成本，且良率較高。至今，立足于該項(xiàng)目，修向前團(tuán)隊(duì)已經(jīng)申請(qǐng)了十幾項(xiàng)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(shí)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)?！毙尴蚯氨硎荆嚓P(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(shí)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(jī)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(duì)科研工作的熱愛。

在修向前看來，興趣是做好科研的重要?jiǎng)恿?，只有保持?duì)科學(xué)研究的熱愛和對(duì)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(shí)代最重要的任務(wù)。我個(gè)人認(rèn)為，基礎(chǔ)知識(shí)的學(xué)習(xí)對(duì)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(shí)?！?/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(shí)外，他還注重從做科研的角度培養(yǎng)學(xué)生，例如鼓勵(lì)學(xué)生自主展開學(xué)習(xí)，到實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)踐等。他表示：“光有基礎(chǔ)知識(shí)是不夠的，你還要學(xué)會(huì)將自己的知識(shí)應(yīng)用到科研工作當(dāng)中。我們很看重學(xué)生的閱讀文獻(xiàn)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(shí)的理論知識(shí)，還要有很強(qiáng)的動(dòng)手能力?！?/p>

“人若志趣不遠(yuǎn)，心不在焉，雖學(xué)無成?！毙尴蚯疤寡裕麑?duì)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(jìn)的動(dòng)力除了對(duì)科學(xué)研究的興趣之外，還有對(duì)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(xiàn)自己的力量就是實(shí)現(xiàn)自己的人生價(jià)值。與此同時(shí)，他也希望在興趣之外，學(xué)生們也可以樹立為國家某一個(gè)行業(yè)或某一個(gè)領(lǐng)域貢獻(xiàn)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(diǎn)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(shí)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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