蔡巧玉

談起與中國電子科技集團公司第十三研究所（以下簡稱“十三所”）的淵源，孫聶楓笑稱“從幼兒園算起，我已經在十三所待了40多年了”。生于斯，長于斯，成長的時光和投身的事業(yè)都與這方天地緊密相連，孫聶楓卻從未覺得乏味。從旁觀父親孫同年研究并逐漸萌生興趣的稚童，到“上陣父子兵”、與父親并肩作戰(zhàn)的精英骨干，再到接下父親InP（磷化銦）材料研究的接力棒，繼續(xù)奮斗在化合物半導體材料的第一線，熱愛、傳承、突破、責任，是孫聶楓投身于此的初心，更是他研究生涯的關鍵詞。

熱愛：用孩童的眼睛望見未來

三歲的時候，孫聶楓就知道，“爸爸總是很忙”。彼時在上幼兒園的他，經常是最后一個被父親接走的小孩。很多時候，“被接走”也不意味著可以回家，而是隨著父親返回實驗室，看父親再次扎進忙碌的實驗中。這些實驗到底有什么樣的魅力，讓父親醉心其中？年幼的孫聶楓開始用孩童的目光觀察父親的實驗。很快他就發(fā)現，父親的實驗室簡直像神話里的煉丹爐一樣神奇——將提純出來的元素放到爐子里，就有“新東西”慢慢生長出來。在爐子里，父親到底用了什么“種子”？“長出來”的東西是什么？怎么設置才能讓它“長”得更好？……一連串的問題出現在年幼的孫聶楓的腦海里，投身科研的種子也就此埋在他心中。

孫同年（左）、孫聶楓（右）父子合照

時光如白駒過隙，耳濡目染中，父親一直在做的事情也在孫聶楓眼中逐漸清晰起來：父親致力于合成并研究一種非天然存在的、擁有卓越的電光轉換效率和高電子遷移率、耐高溫、強抗輻射能力的半導體材料——InP，并努力開發(fā)相關技術，積極開拓InP單晶全產業(yè)鏈式的研發(fā)。作為第二代半導體材料代表的InP，其在光電及微電子領域擁有極強的應用潛力，同時在軍用高性能衛(wèi)星、導彈、雷達等武器系統(tǒng)中也有重大價值。這些特性讓InP在20世紀50年代末首次生長成功后，迅速引起了世界各國科研學者的普遍關注，孫聶楓的父親孫同年也是其中一員。當時僅能接觸到相關科研報道的孫同年，敏銳地察覺到了這種材料的重要性，并迅速著手研究攻關。1970年，在十三所領導的支持下，他帶領十三所InP課題組，在我國率先開展高壓條件下InP的合成與單晶制備。然而這種全新半導體材料的研究之路卻并不平坦，設備短缺、無InP籽晶、經驗為零、技術封鎖……重重困難接踵而來，孫同年和團隊幾乎說得上是“白手起家”，孫聶楓記憶中父親的忙碌也由此而來。

艱難困苦，玉汝于成。在InP單晶全產業(yè)鏈式的研發(fā)之路上，孫同年自主設計制造了我國首臺高壓單晶爐。我國第一根LEC InP單晶、第一批GaAs單晶就從這一高壓單晶爐中生長而成。此外，孫同年還發(fā)明了InP、GaAs材料的原位合成連續(xù)長晶設備和方法，他提出的氫占銦空位半絕緣InP形成機理成為被國際承認的重要學說之一，并在國際上最早突破GaAs的低溫合成工藝。與此同時，孫同年在材料和相關技術方面的探索成果，為我國InP器件發(fā)展提供了關鍵材料，也為十三所乃至我國InP光電器件的發(fā)展提供了強大助力。

德國晶體生長研究所所長魯道夫教授（左二）、西北工業(yè)大學徐亞東教授（左四）來十三所技術交流

即便獲得了不俗的成就，前行之路卻仍是“道阻且長”。由于缺乏相關的技術指引，直接購買技術更加成熟、價格低廉的國外半導體器件或產品成為當時國內的主流，大量的半導體研究所和工廠紛紛倒閉；半導體物理等專業(yè)就業(yè)困難，大量高校將這一專業(yè)裁撤。待到孫聶楓本科畢業(yè)時，國內半導體研發(fā)應用領域正面臨著行業(yè)停滯、人才斷檔的窘迫局面，于是研究尚屬前沿領域、應用場景有限的InP，使課題組更顯得“曲高和寡”，課題組研究不斷“遇冷”，團隊年輕人才出走頻繁，一度出現青黃不接的情況。就在這個時候，面對更多熱門的研究方向，孫聶楓沒有一絲動搖，從小在父親實驗室泡大的他毅然決然地選擇回到十三所工作。提及當初的選擇，他依舊覺得“還是要做自己熟悉的事”，就算要“坐冷板凳”，他也甘之如飴。就此，孫聶楓加入了自幼便熟稔的InP課題組，從“旁觀者”正式成為“參與者”。

對于孫同年的研究，或許有人覺得，既然市面上已經有成熟產品且廉價易得，還要自己苦心研究，是不是太過“鉆牛角尖”？孫聶楓卻能理解父親的執(zhí)著：“有些工作總要有人去做，不管別人是否對我們限制，我們總要做自己的工作?！奔尤胝n題組后，父子二人都抱定實現InP國產化的信念，以熱愛之心和報國之情，共同扎進了這項研究難度大、周期長、成效慢的基礎研究中，共赴InP相關研究及產業(yè)化發(fā)展的未來之約。

傳承：科研之路開新花

在孫聶楓看來，父親教會自己的，不唯有對InP研究的熱忱，更有一種在極其有限條件下，研究不輟的“篤定”和“甘愿”。作為一種具有戰(zhàn)略意義的化合物半導體材料，國外對InP的相關技術成果“三緘其口”，這就使得孫同年的研究不得不長期處于“自力更生”的狀態(tài)。等到孫聶楓加入這一團隊時，這樣的情況并未改善，研究工作仍在沿用始建于20世紀70年代的設備廠房，研究力量也因為“老隊員”的相繼退休和年輕力量的缺乏顯得愈發(fā)捉襟見肘。最困難的時候，父子二人就是這個課題組的“全部陣容”。然而這種艱難的狀況，并沒有讓孫家父子的科研熱情降溫。在孫聶楓眼中，“一切從零開始”有其獨特的優(yōu)勢——“半導體材料制作難度很大，要求在高溫高壓的環(huán)境下去做。具體到InP，它對生長環(huán)境的要求極為嚴苛，在操作環(huán)節(jié)還有更多的技術要求?？梢哉f，在所有半導體材料的制作過程中，InP算是最難制備的材料之一。如果單靠引進國外的設備器材，在昂貴的購買和維護成本面前，我們可能會畏首畏尾。而自己的團隊從設備做起，設備、技術、工藝都是自主可控的，反倒是給了課題組敢想敢干、開拓創(chuàng)新的空間。”

在這樣的氛圍下，即使設備簡陋、條件艱苦，十三所InP課題組仍憑借先進的成果和產品，成為國際上研究InP最重要的五個實驗室之一。其產出的高品質InP多晶、單晶和籽晶，也被國際知名同行機構廣泛使用。然而孫同年和孫聶楓同樣明白，研究如逆水行舟，不進則退。如何繼續(xù)保持十三所InP課題組在相關領域的領先優(yōu)勢呢？年輕的孫聶楓將目光投向了大尺寸單晶的生長和制作。

為何要關注大尺寸單晶？孫聶楓提到了近年來引起不少行業(yè)波動的“斷芯”“缺芯”事件。他解釋道，芯片被稱為“工業(yè)糧食”，而半導體材料屬于芯片制造的上游行業(yè)，在制造成本幾乎不增加、組件面積不明顯改變的前提下，大尺寸單晶可提高產品效率，并帶動組件單晶成本的進一步降低。從這個角度出發(fā)，大規(guī)模單晶產品必將成為行業(yè)發(fā)展的重要趨勢，掌握大尺寸單晶制備技術，將會為我國自主芯片提供強有力的研發(fā)基礎。而國內外相關研究的發(fā)展方向，也印證了孫聶楓的預想：進入21世紀，InP的重要性再次引起廣泛重視，如美軍將InP列為21世紀20項關鍵電子技術之一。以此為開端，對大尺寸InP單晶產品的需求日益高漲。然而囿于制備技術難度，僅有日本住友、法國InPact、美國AXT等少數幾個公司有能力批量生產2～4英寸的InP單晶，6英寸InP單晶的制備則僅限于報道之中。此時，孫家父子所在的InP課題組從事相關研究已近40年，其中沉淀的技術和理論成果為孫聶楓提供了豐厚的科研土壤?！皣倚枰揖腿プ觥！北е@樣的想法，孫聶楓當仁不讓地投入到大尺寸單晶的研究過程中。

陸軍院士（前排左二）、蔡樹軍副所長（左一，現任58所所長）來現場指導工作

在國家“十二五”規(guī)劃綱要、“十三五”規(guī)劃綱要的大力倡導下，半導體材料的相關研究再度“轉熱”，孫聶楓對于大尺寸單晶的探索可謂是恰逢其時。不過孫聶楓清楚地知道，科研從來不能只喊口號，要做新研究，就要解決新問題?！胺N下梧桐樹，引得鳳凰來?！苯舆^父親遞來的接力棒后，孫聶楓將人才引進工作放在了第一位。2010年，在國家科技重大專項的支持下，一批鐘情于半導體事業(yè)、矢志科研報國的年輕人成為課題組的新生力量，而課題組自創(chuàng)立以來“干一行、愛一行”的傳統(tǒng)也為這些后來人繼承下來。就此，一支具備專業(yè)素養(yǎng)、齊心協(xié)力的InP研究團隊正式集結而成。

人員齊備之后，便要“利其器”。父親親手設計建造的單晶爐，自1976年以來已經工作了30余年，其功能已經不能覆蓋大尺寸單晶生長制作的需求。盡管十三所InP課題組已經蜚聲國際，然而發(fā)達國家對于大尺寸高壓單晶爐的技術封鎖依舊存在。孫聶楓意識到，自己要做一件和父親一樣的事：核心技術是求不來、買不到的，求人不如求己，這一臺對整個InP及相關化合物行業(yè)起著支撐作用的大尺寸高壓單晶爐，還是要自己設計制造。孫聶楓的想法很快得到所領導和科技部門領導的支持。十三所的領導一直都是由半導體專家擔任，也正是他們的不斷支持，我國的InP研發(fā)得以賡續(xù)，而且逐漸形成全產業(yè)鏈的發(fā)展模式?，F任所長卜愛民、副所長蔡樹軍等更加重視InP的國產化能力的提升，因此，給予InP團隊非常大的支持和鼓勵。

十三所老專家李松法副總（左二）、邱素娟（右二）指導工作

溫度1062℃、氣壓4MPa，這是InP生長所需的基本條件。在這樣的高溫高壓條件下，任何操作都要慎之又慎，由此帶來的設計難度可想而知。經過反復論證，輔以幾十項創(chuàng)新設計發(fā)明，孫聶楓帶領著年輕的團隊不斷攻關，終于在2013年研制出具有完全自主知識產權的關鍵設備——Cz-50型多功能大型高壓單晶爐。這一設備口徑大，可進行更高重量的大容量的合成，以LEC、VB、VGF等方法生長6～8英寸的InP單晶，實現了全部設計、制造及軟件國產化，具有熱穩(wěn)定性高的特點。相較于英國MR公司及美國空軍實驗室的單晶爐，這個單晶爐實現了兩個“增加”：尺寸更大、功能更多。得此“利器”，發(fā)達國家對高端InP半導體領域核心設備的封鎖就勢打破，同時也填補了我國在該領域的空白。

有了大尺寸高壓單晶爐，下一個要解決的就是熱場設計難題。針對大尺寸單晶爐對流強、溫度起伏高的特點，孫聶楓提出了可調封閉熱場結構?；谶@一發(fā)明，他在2013年年底先后制備出直徑6英寸、重達近10kg的InP整錠單晶，成為當時世界上最重、尺寸最大的晶體，其中6英寸單晶的成品率達到了世界領先水平。這一成果的重要意義在于，它不僅突破了制備過程中的關鍵技術，更使InP大規(guī)模產業(yè)化應用成為可能。

在多晶合成領域，孫聶楓亦有建樹。在闡明注入合成物理機理的基礎上，他發(fā)明了雙管快速注入合成方法，使用該方法每3小時即可合成6kg的InP多晶，并突破了合成20kg高純InP的關鍵核心技術，實現了合成效率和產業(yè)化水平的“雙提升”。此外，他還創(chuàng)造性地提出了注入合成連續(xù)晶體生長技術，可用于超高純多晶的制備，通過該技術生長的超高純多晶的純度超越了國外頂級公司的產品，擁有廣闊的應用前景。

從接過父親翻閱頗多的實驗數據、累積經年的紅色技術檔案，到研制出全新的設備和技術成果，孫聶楓用成果完美地詮釋了“傳承”的意義。在他看來，傳承不是坐享其成，而是要在接力的時候，不斷完善已有成果，讓理論更扎實，技術更先進，產品可靠性更強、安全性更好?！皬?0世紀70年代算起，我們自研自制的設備已經發(fā)展到第四代、第五代。對我父親和我來說，自己動手，自己就能看到結果，這是最有意思的事情。”孫聶楓說。

突破：實踐是檢驗真理的唯一標準

在InP的研究過程中，孿晶一直是制約其產業(yè)化和低成本化的世界級難題，這一問題也成為世界范圍內有關InP研究的重要課題。經過大量的研究、推理和實驗后，各國研究者就如何克服孿晶的出現提出了諸多理論，其中影響最大的當屬前國際晶體生長學會副主席Hurle教授提出的臨界放肩角理論。Hurle教授認為，在生長大直徑單晶時，選擇合適的放肩角度才可以避免孿晶的產生。這一理論也得到了國際上重量級的半導體研究者的認可。然而事實果然如此嗎？習慣于親手做事的孫聶楓決定“眼見為實”。

在反復的科研實驗中，孫聶楓發(fā)現了這一理論的“bug”（漏洞）——突破Hurle教授所說的角度限制，依然可以生成無孿晶的晶體，而在這一角度限制以內，也并不能百分百地生成無孿晶的晶體。即使后續(xù)這一角度從30°修正到75°，這種情況也依然存在。顯然，Hurle教授的理論不是孿晶問題的最終答案。

不迷信權威，孫聶楓沿襲實踐這一檢驗真理的唯一標準，從生長動力學角度入手，通過大量實驗證明：InP單晶生長中并不存在臨界放肩角的問題，孿晶產生是由多方面原因造成的，而消除孿晶的關鍵，在于對熱場的合理調配、生長界面及形狀的嚴格控制。換言之，發(fā)現孿晶的形成與臨界放肩角無關，而是與其生長條件、小平面特征息息相關。

從實踐中來，再到實踐中去。基于這一重新揭示孿晶形成機理的論斷，孫聶楓結合理論成果，發(fā)明了放肩角=90°的平放肩工藝，通過生長過程中控制固液界面邊緣的形貌來抑制孿晶的形成。該技術不僅大大提高了晶體的利用率，通過這一工藝生產的晶體，能達到直接可用或接近于直接可用的狀態(tài)，成品率也隨之大幅提高。而作為臨界放肩角理論曾經的擁躉，國際著名學者、德國晶體生長學會主席、Journal of crystal growth副主編Rudolph教授在來到十三所親眼見證孫聶楓團隊的InP單晶生產過程后，對孫聶楓團隊所做的理論和實踐成果大為贊嘆，隨后他發(fā)表的綜述文章“Fundamentals and engineering of defects”（《缺陷原理與工程》），對孫聶楓提出的孿晶理論給予了高度評價。至此，孫聶楓的理論成果逐步受到國際相關學者的關注和認可。隨后多位國際著名學者的研究證明，孫聶楓的理論不僅適用于InP這類閃鋅礦晶體，而且還適用于硅等更廣泛的晶體。通過這一理論，孿晶這一老大難問題得以解決，晶體生長可控性大大提高，生長成本也隨之大大降低?？梢哉f，這一理論和工藝，對大尺寸半導體單晶的研究制備及產業(yè)化應用具有劃時代的意義。

“已經記不得做過多少次實驗，基本上每個角度我們團隊都重復了很多次?！被貞浧疬@場“角度之爭”，孫聶楓感慨道，“作為一個科研院所，特別是十三所這樣應用型的科研院所，我們在做的事情是和其他團隊很不一樣的。我們不僅要做晶體的培育，還要研究晶體培育過程的一些機理和原理問題?！淙弧?，更要‘知其所以然’，是我們團隊不變的追求。有關非摻雜半絕緣理論的研究也是如此?！?/p>

孫聶楓所說的非摻雜半絕緣理論，其實是一項基于“缺陷”而展開的研究。InP的半絕緣特性通常是通過鐵來實現的，而在制備過程中，材料純度及單晶制備工藝等因素會嚴重影響鐵的激活效率。為了解決這一問題，只能不斷提高鐵的濃度，而這樣的做法又會帶來新的問題：鐵原子會降低InP的臨界剪切應力，大幅增加InP晶體中的位錯等缺陷，同時鐵還可能在襯底外延過程中反擴散，嚴重影響了芯片及器件的物理性能及壽命。如何平衡“做得出”和“用得久”，孫聶楓和團隊做了大量工作。在實驗數據的基礎上，他發(fā)現了非摻雜半絕緣InP的現象，就此，孫聶楓在國際上最早提出了“VInH4分解補償”的非摻雜半絕緣InP的形成機理?！胺菗诫s”，即“拋棄”鐵這種舊有的激活元素，同時保持InP的半絕緣屬性。與此同時，他還發(fā)現了晶體中的亮點缺陷現象，基于界面生長穩(wěn)定性理論形貌提出了亮點缺陷的形成機理，提出了兩種位錯增殖與延伸模型，并解釋了其對單晶質量的影響。在這些理論的支持下，孫聶楓團隊產出的晶體“純度更高、透過率更好”，性能遠超國外同類產品。這一成果被該領域的國際期刊Crystal Research and Technology列為封面文章，并認為該成果在制備高品質InP的關鍵技術方面獲得了重要突破。

父子相繼投身科研40余年，十三所InP課題組終于在InP晶體研究領域實現了“人無我有、人有我精”的局面，將科研和生產自主權牢牢地掌握在自己手中。而孫聶楓的成就也得到了國內外學界、產業(yè)界的一致認可，他被選為國際半導體協(xié)會標準技術委員會核心委員、中國電子學會高級會員、全國工商聯科技裝備業(yè)商會半導體專業(yè)委員會副主任委員、全國半導體設備和材料標準化委員會委員，以及美國晶體生長學會委員、美國化學學會會員、印度晶體大會科技委員等。在孫聶楓看來，關于InP的研究，既要“自主可控”，也不可“閉門造車”，與國際權威學者、一流研究所的交流過程，也是思維碰撞、交流互動的過程。通過這樣的理論探索、技術打磨、產品交互，“InP課題組還在不斷成長，我們擁有無限可能”。

孫聶楓所在的磷化銦單晶團隊合影

責任：讓InP在更多地方綻放光芒

回顧自己的研究之路，孫聶楓最為驕傲的，便是打通了InP的研究、制備及產業(yè)化通路，在多晶合成、單晶生長、超潔凈清洗、磷尾氣回收等幾十項單晶襯底制備關鍵技術的支持下，形成了具有自主知識產權的磷化銦產業(yè)體系，建立了國內具有完全自主知識產權的磷化銦產業(yè)平臺，相關產品也已應用于太赫茲等重要領域，同時出口到美國、印度及中國臺灣等國家和地區(qū)，實現我國InP材料從依賴進口到走出國門。然而孫聶楓深知，InP的潛力不止于此，它應在更多領域發(fā)揮功用。而我國正在積極布局的5G通信、加速攻關的6G通信領域就是InP未來的主要應用場景之一。

孫聶楓介紹，5G及6G通信中，均大量使用光纖通信。在基站中使用的1310nm和1550nm大氣窗口的激光器、探測器，正是InP大放光彩的地方。據了解，目前在光纖通信網絡、5G基站間的光通信、量子通信骨干網、天地一體化網絡系統(tǒng)等重要通信場景中，都存在大量的InP材料和器件。這一特性同樣適用于后續(xù)6G通信的研究和基站建設。除此之外，使用InP器件制作的激光雷達、毫米波雷達是未來無人駕駛的核心部件，太赫茲和超高效太陽電池等領域對于InP器件的應用也日趨成熟……這都預示著InP材料在開發(fā)與應用領域大有可為。目前，制約InP材料產業(yè)化的主要因素，是其高昂的價格。為此，孫聶楓立志于在不斷發(fā)掘InP材料優(yōu)異性能的前提下，通過工藝和設備的進步，不斷降低InP材料及器件的生產成本，讓InP材料及器件大規(guī)模應用成為可能。與此同時，他充分開拓與相關企業(yè)的合作，以產業(yè)需求作為研究的重要方向，以研究成果驅動產業(yè)發(fā)展。在他看來，我國以InP材料為代表的半導體行業(yè)，既需要先進的理論、工藝、技術、產品作為前導，也需要更多的企業(yè)投入其中，二力合一，方可推動InP材料及器件產業(yè)化、規(guī)?；l(fā)展，幫助我國在國際上形成真正的影響力。

醉心科研的同時，孫聶楓也對半導體材料研究人才培養(yǎng)頗為重視。經歷過人才短缺的窘迫，孫聶楓迫切地希望能夠以自身和團隊的力量，助推相關研究人才成長，讓整個行業(yè)能以更蓬勃的態(tài)勢走在不斷創(chuàng)新的康莊大道上。為此，他在母校河北大學、天津大學，以及中國科學技術大學擔任導師，期待將自己的研究經驗和最前沿的研究成果傳遞給年輕人。

孫聶楓常和學生說，在他父親那個年代，做工作很多時候都不是自主選擇，而是服從于國家和團隊的需要，先是“干一行”，進而“愛一行”。這樣的精神投射到今天，依然是從事科學研究的不二法門?？蒲泄ぷ髌D苦枯燥，對于基礎材料的研究更是如此。放眼整個半導體材料研究領域，不唯有他父親，基本上全世界從事InP相關研究的科學家都要沉下心來，做個二三十年，才能獲得一些成果。如果做的時間太短，是做不出什么成果來的。科研之路，唯有“堅持”二字最為可貴。但堅持并不是一件容易的事，每個人都可能遇到各種不同的情況，或許面臨一次又一次失敗，或許面對“這研究有什么用”的犀利質疑，很多時候難免萌生出“是否要堅守這份事業(yè)”的疑問。即使樂觀如孫聶楓，也曾有過遲疑的時候。但是從他的經驗來看，這些困難常常是“黎明前的黑暗”，度過這段難熬的時光，曙光就在前頭?！拔乙灿歇q豫的時候，但是現在我和我的團隊都越來越堅定了。不好高騖遠，也不妄自菲薄，以‘小步前進’的方式踏實地往前走，這份事業(yè)就變得越干越有趣，越干越愛干。有些事情就得有人去做，即使困難，也要堅持。很多時候，所謂的‘卡脖子’問題，未必是因為研究開展得晚、追趕困難，而是沒有將當初的研究堅持下來。目前InP課題組能夠處于國際前沿的位置，與整個團隊的長期堅持有很大關系。堅持是對自己的信心，也是對工作的熱愛。從這個意義來說，我希望我的學生也能堅守自己的選擇，將InP研發(fā)事業(yè)真正發(fā)揚光大?！睂O聶楓說。

國家科技進步獎二等獎、第四屆杰出工程師獎、國防科學技術獎一等獎（兩項）、中國電子科技集團科技進步獎特等獎、河北省自然科學獎二等獎、中國電子科技集團十大領軍人才（第一名）、中華人民共和國成立70周年紀念章、全國信息產業(yè)先進工作者……從研20余年，榮譽是孫聶楓堅持初心的最佳注腳，也是孫聶楓科研之路的里程碑。面對成績，他總是說：“榮譽對我來說都是意外之喜，最吸引我的一直都是晶體材料研究本身。我的父親已經80多歲了，他依舊時刻關注課題組的研究進度，對團隊后輩積極指導、熱心幫助?！嘤嘈闹蛸?，雖九死其尤未悔’，也許這就是晶體材料本身的魔力吧?！?/p>