欢迎您登录科学中国人官方网站!!
新浪微博|网站地图|联系我们
为半导体材料和器件的未来而战

来源:  发布时间:2021-07-13

——记闽都创新实验室和福州大学平板显示实验室教授孙捷

肖贞林

 

 

20205月,美国再次发动了针对华为的芯片战争,继2019年对华为实行出口管制之后进一步限制其使用美国技术软件设计和生产的半导体。而在2018年,美国商务部就曾对中兴实施制裁令,禁止美国公司向中兴通讯销售零部件、商品和技术等。从中兴到华为事件,中国在半导体方面被“卡脖子”的问题越来越突出。“在半导体芯片领域,我国从装备、材料到器件,以及集成系统,全部受到国外的限制。”孙捷顿足道。

事实上,自近期回国后,孙捷就一直致力于组建课题组开展半导体微型LED显示及二维半导体材料和器件的研究。关于前者,他十分具有前瞻性地说:“未来的显示技术很有可能就是第三代半导体集成显示。”而关于后者,他则语重心长地说:“我们如今的半导体技术已经不可否认地落后于国外很多,但在下一代的半导体技术方面,我们与国外是站在同一起跑线上的,如果我们能够率先实现突破,就能彻底摆脱被动局面。”

 

千淘万漉虽辛苦

 

如今孙捷能在这种关键时刻带领团队站在科技前沿,是因为在此之前他经历了20多年的磨炼与积累。

将时光倒回到15年前,那时的孙捷正在我国半导体材料学发源地,林兰英院士亲手创建的中国科学院半导体所半导体材料实验室师从王占国院士攻读博士学位,有幸被王院士派往瑞典隆德大学继续攻读半导体器件方向的双博士学位。在那里,他有机会接触到之前在国内很难亲手操作的如电子束光刻等设备,通宵做实验对他来说是家常便饭。有时候,实验做到半夜,警报器突然响了起来,原来是做实验的时候不小心碰到了窗户的报警装置。“时间长了,学校的保安都认识我了。”孙捷笑道。在4年的努力下,孙捷的科研能力得到了迅速提升,到了毕业答辩的时候,学校甚至请来了美国电子输运领域的著名专家J.Bird教授做他的答辩对手。

获得肯定的孙捷不甘心止步于此,博士毕业的他前往瑞典查尔姆斯理工大学微米技术与纳米科学系量子器件物理实验室从事博士后研究,有幸与诺贝尔物理委员会主席在同一实验室工作,并在之后留在该实验室从助理教授一路做到副教授(终身教职)。“在这期间,我除了继续博士期间关于半导体材料与器件方面的研究外,还进行了二维材料石墨烯的开发。”就在大家都在从事对石墨烯本身的基础研究时,孙捷结合自己的专业,通过化学气相沉积研制石墨烯,并独辟蹊径,将其与第三代半导体氮化镓结合,应用于芯片领域。“我重点研究的是石墨烯薄膜的大规模制备,因为只有研发出薄膜才能使其与芯片材料兼容。”在当时,孙捷是查尔姆斯理工大学有史以来首个进行石墨烯在半导体应用芯片方面研究的学者,也是世界上首个在氮化镓上直接生长石墨烯的研究者。

作为一名具有极强前瞻性与开创能力的研究者,孙捷还在查尔姆斯理工大学开设了世界上首门关于石墨烯的慕课课程,并将其发布于美国EDX.org平台。然而就在研究工作和教育课程进行得如火如荼的时候,孙捷却意识到一直以来人们对石墨烯的认知有误区,高估了它在芯片上的作用。“它实际上是导体,这就意味着它不能在芯片研制过程中发挥主要作用,而只能服务于半导体。”为了让二维材料在芯片研发中发挥核心作用,孙捷转变方向,开始致力于用MOCVD技术生长新型的二维半导体材料。

 

吹尽狂沙始到金

 

中兴事件发生不久,不管是国内还是国际都将目光关注在我国的半导体技术及芯片研发领域。孙捷毅然决定离职回国,以国家级人才身份进入福州大学物理与信息工程学院平板显示国家地方联合实验室。彼时著名显示专家——福州大学严群教授正致力于微型LED显示领域的研究,希望在退休之前使氮化镓微型LED显示在我国率先实现产业化。两人一拍即合,共同加入新成立的中国福建光电信息科学与技术创新实验室,也就是仅有的4个福建省实验室之一——闽都创新实验室,进行氮化镓微型LED显示和通过MOCVD技术生长二维材料并应用于半导体芯片两方面的研究。

目前在氮化镓微型LED显示方向,孙捷及其研究团队已经成功研制出了高分辨率的微型显示器的样机。“我们接下来的主要工作就是将二维半导体与通过氮化镓研发的微显示器结合,将显示和驱动电路单片集成起来。”而这方面需要他们首先用MOCVD技术将二维半导体生长好,然后才能将其用作微型LED显示器电路的核心材料。

“但是在当前的国际环境中,从国外购买二维材料MOCVD设备不可能实现。”孙捷皱眉说道,“国外的生产厂家想卖,但外国政府却下达了禁运令。”重重阻碍的情况下,孙捷决定通过联合国内有能力的厂家,自主设计制造国产MOCVD设备来生长二维材料,推动大型半导体装备的国产化。设备有了,“然而由于刚起步,目前国际上尚无现成的MOCVD二维材料的高晶格质量可控生长方法。”因此解决二维材料生长的关键科学问题、突破核心技术成为了孙捷团队目前需要解决的问题。

在石墨烯应用方面,孙捷承担了国家级项目“GaN外延片直接CVD生长免转移石墨烯及其在LED中的电极和散热应用”。“关于石墨烯生长的实验其实有其他研究者在做,但我们和他们有很大的区别。”孙捷进一步解释,原来其他课题组研制的石墨烯是在其他衬底上生长的,然后再将其转移到氮化镓上。“转移技术和半导体平面工艺是不兼容的,因此转移过程中石墨烯不可避免地会发生污染、褶皱、破损。”而孙捷团队研制的石墨烯则是直接在氮化镓上生长的,这正是因为孙捷是世界上第一个研究石墨烯在氮化镓晶圆上生长技术的人,掌握着核心技术让他拥有了先发优势。

值得一提的是,几年以前,孙捷还主持了一项关于石墨烯研制的光电器件在太赫兹领域应用的基础研究项目。在当时,该项目得到了瑞典高等教育合作署的支持。在项目开展过程中,孙捷作为海外华侨,还出面牵头促成了国内高校校长和查尔姆斯理工大学校长的会见,并且瑞典高等教育国际合作署也专门派了官员来中国进行合作访问,极大地促进了中瑞两国的学术交流。

无论是如今的闽都创新实验室,还是当年的中瑞合作项目,孙捷的发心都是为了促进我国科研的发展,如今回到国内并任职于福州大学,他开始从更多角度关注我国科技的发展。

 

路漫漫其修远兮

 

如今孙捷在福州大学担任博士生导师,国内外两个阶段的教学科研经历让他能够以横向对比的方式观察学生的学习风格。他发现,在同等层次的学校中,国内外学生的个人素质和能力其实是差不多的,“他们的主要差距在思维方式和做事风格上”。在国外授课的过程中,学生会在课堂上提出不同的看法,甚至和老师进行辩论,而国内的学生则更多地选择接受老师的观点。“其实还是应该培养他们独立思考的能力,在科研上,过分地尊重权威是很难有创新的。”孙捷一语中的。

除此之外,孙捷还提出了关于科研管理的一些想法。他希望能够在符合我国自身文化属性的基础上简化大学行政管理的流程。其次,他认为大学作为一个国家科研发展的重要部分,应该配备具有足够高学历及水平的工程师团队。最后,他提出,高效的流程和优秀的工程师团队,再加上课题组之间良好的合作关系,将会更好地推动我国科研领域的发展。

如今,孙捷依然记得自己本科即将毕业的那天下午,他跟随大连理工大学的胡礼中教授通过传统液相外延技术做第二代半导体砷化镓的生长。按照以往的经验,衬底上将会出现平面结构的单晶薄层,结果孙捷眼前却生长出了岛状结构的砷化镓。那次意外的发现彻底引起了孙捷对半导体研究的兴趣。但那时候的他或许不曾想到,自己将会用一生的时光进行半导体领域的研究,并且在如今站上科技的前沿,为推动我国半导体芯片技术的进步发光发热。
分享到:
杂志
本期封面

2021年7月中

上一期 下一期