——记中国科学院半导体研究所研究员赵有文

唐慧乔 王 辉

20世纪中叶，单晶硅和半导体晶体管的发明及其硅集成电路的研制成功，成为电子工业革命的滥觞，随后光纤通信技术迅速发展并逐步形成高新技术产业，则是人类进入信息时代的重要标志；而随着超晶格概念的提出及半导体超晶格、量子阱材料的诞生，纳米技术的发展与运用推动半导体进入纳米时代。时至今日，大到通信、计算机、消费电子、汽车电子、航空航天、国防军工等传统产业领域，小到人脸识别、血氧测量等日常应用，都有半导体材料的参与。与半导体技术的发展和半导体材料研究相伴生的，是各种各样新的半导体材料不断出现并拓展出越来越多的全新应用场景，磷化铟、锑化镓等材料更是一跃成为化合物半导体及器件的重要材料。

作为我国半导体研究及行业发展的见证者和参与者，中国科学院半导体研究所研究员赵有文对此有着独特的见解。由于种种原因，我国曾一度与世界半导体技术差距巨大，相关研究也走过了一段在黑暗中探索的艰辛路；在我国半导体行业走向实践、奋起直指之时，又面临了更为复杂的困难和挑战。尽管如此，经历过一代代科研人和产业人的共同努力，我国半导体研究及行业发展仍以坚韧的面貌成长起来，并逐渐走出一条具有自己特色的路。而对于赵有文来说，耐得住寂寞、沉得下身子，是他在从研从业过程中感悟的真谛，亦是鞭策他前行的向导。

守得云开见月明

“底子差、市场小”，在赵有文投身半导体材料研究之初，面对的就是这样的窘境。“相较于发达国家，20世纪80年代国内半导体材料的研究者和从业者虽然已经看到以磷化铟为代表的半导体材料具有广阔的应用前景，但相关的市场需求还是很小，完整产业链尚未建立，磷化铟‘英雄无用武之地’，启动相关研究的动力严重不足。”赵有文回忆道。以给未来产业攒足发展动力为出发点，相关部门高瞻远瞩，部署了相当数量的科研项目及专题为我国半导体材料提供“燃料”，而当时正在河北半导体研究所攻读硕士的赵有文，也在这个时间段初次接触了磷化铟这种材料，就此开启了他与半导体材料的不解之缘。

从1986年入学以来，赵有文在导师孙同年的带领下，在河北半导体研究所度过了打基础、做研究、积极创新的10年。他们在设备短缺、经验为零、技术封锁的重重困难之下，逐渐研制出了我国首台高压单晶炉，并摸索出多项磷化铟合成制备的理论及工艺，为我国磷化铟器件的发展打下了坚实的基础。 

学而不思则罔，思而不学则殆。1996年，已经拥有10年科研一线工作经验的赵有文听从孙同年“学习前沿知识、提升自身水平”的建议，赴香港大学攻读硕士学位。3年后，他以优异的成绩顺利毕业，随后以研究员的身份进入中国科学院半导体研究所。谈及这段时光，赵有文感慨地说道：“在河北半导体研究所工作的10年，是我与磷化铟相遇、相知，打下扎实基础的10年；而在中国科学院半导体研究所，我得以对半导体材料有了更多、更深的了解，也验证了其更多的应用可能。”

赵有文所谓更深的了解，不惟停留于对相关材料优势的剖析，他同样关注其“弱点”所在。以磷化铟材料为出发点，他所取得的“磷化铟单晶缺陷”“磷化铟和氧化锌材料缺陷研究”“化学物半导体磷化铟”等研究成果分别获得国家级、部委级和省级奖励。在此基础上他还先后开发了十余项专利技术，也成为磷化铟材料从实验室走向应用的重要推力。

对半导体材料了解愈深，对其探索欲愈盛。在红外激光器、探测器、热光伏电池及高速低功耗集成电路器件等领域具有巨大应用潜力的第四代半导体材料——锑化镓成为赵有文团队着力探索的新领域。据赵有文介绍，锑化镓为直接带隙半导体材料，光谱响应范围广，特别是中长波段（8～14μm）红外探测器在天文观测、环境监测、医学诊断、消防、导弹制导及预警等民用和军用领域具有重要的应用价值和前景。基于其量子效率高、暗电流小、探测率高、大尺寸成本低并具有较好的光谱调节能力等优势，赵有文决定“知其所以然”，从基础物性的角度对其展开研究。依托国家自然科学基金项目“新型红外探测器应用相关的锑化镓单晶杂质、缺陷及物性”，他锚定锑化镓材料中存在的杂质、缺陷及缺陷属性和形成机理、缺陷之间、缺陷与杂质的相互作用和变化过程，揭示了锑化镓材料中杂质和缺陷的产生规律、缺陷对材料性质的影响，以及缺陷自身的结构、性质和相互作用等，对于丰富和发展材料物理科学内容、探索有关的物理规律、提高晶体质量及器件性能等产生了积极影响。

在看好锑化镓材料发展前景的同时，赵有文也敏锐地意识到我国发展锑化镓产业的掣肘因素——“锑化镓单晶是制备Ⅱ类超晶格中长波红外探测器及焦平面阵列（FPA）的关键基础材料，鉴于新一代红外探测器的重要性和发展趋势，用于研制砷化铟/锑化镓超晶格红外焦平面阵列的锑化镓单晶衬底晶片已被欧美国家列为对中国禁售的材料。虽然目前利用国产锑化镓单晶衬底可以实现砷化铟/锑化镓超晶格结构的生长，但是有关锑化镓材料基础物性的研究远远跟不上器件研制的进展，衬底材料的质量问题成为限制器件发展的重要因素。”赵有文解释道，“半导体器件性能的好坏和成品率除了与生长方法和工艺有关外，还与衬底材料的质量有很大的关系，其中衬底材料的表面特性是决定器件性能的关键因素。如果衬底材料表面粗糙，表面成分偏离化学计量比，氧化层较厚或者表面缺陷浓度非常高，在器件的外延生长过程中便会以此为基点产生应力，甚至会形成位错等缺陷，从而对器件性能产生致命的影响。面对砷化铟/锑化镓Ⅱ类超晶格红外探测器日益提高的性能要求，对锑化镓单晶衬底材料的表面、异质结界面进行系统研究具有重大的现实意义。”

为此，在国家自然科学基金项目“内生富镓对锑化镓单晶表面、异质结界面及相关性质的影响”中，赵有文带领课题组的谢辉、沈桂英、王凤华、刘京明、王俊、杨俊等几位科研骨干就富镓对锑化镓单表面氧化和杂质吸附动力学的影响、富镓对锑化镓单晶表面晶体结构的影响、富镓对表面和界面原子扩散的影响和锑注入对表面氧化行为及外延生长效果的影响等内容进行攻关，解决了制备高质量锑化镓单晶衬底材料的关键技术，建立了一套实用化的抛洗工艺技术，使得锑化镓衬底批量应用于高质量Ⅱ类超晶格材料和红外探测器的生产，为相关单位科研和生产提供了有力的保障。

回首从小众研究走向大众产业的科研之路，赵有文很少谈及其中的辛苦。他说：“能够收获这样的成果，我要感谢老师前辈的指导和信任，更要感谢国家项目的大力支持。在我进入这一领域时，这块科研土壤还很贫瘠，甚至一度有‘前路未明’的迷茫感；而如今在相关研究的加持下，相关产业得以快速发展，良性循环的产业链正在逐渐形成，可以说行业的曙光已经到来。我能在其中做一些研究工作，我觉得挺幸运的。”

绝知此事要躬行

对于半导体材料如数家珍的赵有文，并不希望这些材料只停留在实验室中。“我一直有一个梦想，要把材料从实验室弄到企业去，最终变成产品造福百姓。”他坚定地说道。在他眼中，“科研成果如果只停留在科研这一步，不去做转化，其实意义不是很大。只发个文章、申请一项新的专利，是远远不够的；把它做成一个产品，让这些材料成为实用化的材料，在市场上发挥它的用处，这对科研、对社会、对国家发展都是一件大有裨益的事情，也是我对于科研意义的最高理解”。

2017年，怀揣着这样的梦想，赵有文勇敢地走出了成果产业化的新路。以“成为国际一流的化合物半导体晶体材料供应商”为目标的珠海鼎泰芯源晶体有限公司应运而生，赵有文出任首席科学家兼总工程师。从实验室走向市场，他不仅要面对激烈的市场竞争，更需要为以磷化铟为主的半导体单晶材料国产化事业作出自己的贡献。

“我们过去在实验室做项目、做课题，基本上做出个样品就可以了。但做产品不一样，产品满足大批量生产、质量稳定等要求，对成品重复性、一致性的要求相当高，这也促使我们在整个生产过程中加强管理，对工艺、制度、流程、标准都制定了很高的标准。”赵有文说道，“因为生产过程中人工参与的过程相对较多，我们还逐步完善了人员的准入和培训制度，以保证产品的稳定性。”

在解决了产品稳定性的问题后，如何让其与市场上成熟的国际产品进行竞争，成了赵有文面对的新问题。“经过多年发展，尽管国内已经形成了相对完整的半导体产业链，但当时我们的产品与国外产品尚有一定差距。对于已经形成使用习惯的企业，想要完成半导体产品的国产化替代，需要我们的产品做到和国外产品一样好，甚至要更好才能实现。”

想通了这一点，赵有文带着“人有我优”的思路投身成果转化的实践工作中。据他介绍，磷化铟材料在光通信、毫米波高频、低噪声、宽带微电子集成等领域具有重要的应用。磷化铟基的长波长（1.3～1.55μm）发光二极管、激光器和探测器已广泛用于光纤通信系统，磷化铟基的异质结双极晶体管（HBT）、高电子迁移率晶体管（HEMT）也已用于新一代高速通信系统，磷化铟还是太赫兹领域的首选材料之一；磷化铟制造的高频低噪声器件更是新一代雷达通信、卫星通信的关键元器件。然而目前国内使用的磷化铟单晶片以进口为主，国产磷化铟晶片仍处于试用阶段，主要包含光电器件用导通衬底和应用于微波器件及高速电路的半绝缘衬底等。磷化铟单晶生长需要高纯的磷化铟多晶为原料，而国产多晶纯度、电学性能和稳定性与国外水平还存在一定差距，这也是导致磷化铟多晶原料基本依赖进口的主要原因之一。换言之，高纯的磷化铟多晶国产化问题是磷化铟产业链国产化配套中的薄弱环节。为此，在院企合作项目“磷化铟晶体制备技术开发”中，赵有文团队就磷化铟多晶合成工艺技术、低位错磷化铟单晶生长技术和磷化铟单晶衬底制备技术展开开发和研究，通过开展高品质磷化铟多晶和单晶材料制备工艺的国产化开发以完善我国磷化铟产业链配套，进而为磷化铟基器件的发展应用提供材料保障。

在“行稳”的基础上，赵有文团队立志创新，他们同样关注着行业内不断涌现的半导体新材料。在自主立项的“高质量砷化铟单晶衬底制备技术研发”中，赵有文团队就砷化铟/锑化镓材料，展开了砷化铟单晶的垂直梯度凝固法（VGF）生长技术、砷化铟单晶的孪晶控制技术、砷化铟单晶缺陷及其影响及砷化铟衬底高精度加工技术的系统研究。

为什么是砷化铟/锑化镓？赵有文给出了非常详细的解答——随着红外光电探测技术的不断发展与应用，中远红外（3～14μm）波段已成为红外技术应用的主要大气窗口，这也要求下一代探测器必须具备高速响应、高探测率、多波段探测识别、小像元、大规模面阵等性能，之前及现在广泛应用于第一、二代红外探测器上的汞碲化镉、量子阱光探测、硅化铂、可降解塑料等材料已无法满足第三代高性能红外焦平面系统的要求，而具有Ⅱ型能带结构、宽谱覆盖、高探测效率等优点的砷化铟/锑化镓超晶格材料则成为这一领域的“后起之秀”。基于砷化铟/锑化镓超晶格焦平面红外探测器在夜视、通信、气象、大气监测、工业探伤、地球资源探测、医学诊断、消防、导弹制导及预警等民用和军用领域的重要应用价值和前景，它被公认为是下一代高性能红外探测器的理想材料体系之一。正是看中了其广阔的发展前景，赵有文团队毅然踏入这一领域，为研发和制备国产化相关器件贡献自己的力量。

苦心人，天不负。在团队的共同努力下，一些在传统砷化铟/锑化镓制备过程中容易出现的诸如热应力导致晶格滑移产生大量位错，砷化铟单晶背景杂质浓度升高、易产生点缺陷及复合体缺陷、位错和缺陷影响器件的性能和寿命等棘手问题被逐一克服，新的砷化铟单晶生长方法正在逐步成形，这对国产砷化铟单晶材料应用和器件发展都极具重要意义和积极的推动作用。

如今，珠海鼎泰芯源晶体有限公司已获得A轮融资，并已成为国内多家企业的重要战略伙伴之一。“半导体产业发展回报周期比较长、认证门槛高，对产品的要求也很高，这注定了我们要走过一条充满挑战的长路。然而我们当初进行半导体研究时同样走过这样一条路并取得了不错的成果，所以即使过程很艰难，我们也满怀信心，坚定地走在这条路上。”赵有文如是说道。

百尺竿头须进步

一身承担着中国科学院半导体研究所研究员和珠海鼎泰芯源晶体有限公司首席科学家兼总工程师等重要职务，赵有文的生活忙碌而充实。在行业内深耕多年，如今已成长为团队带头人的他也更加重视团队的力量。在他的引导和培养下，一批科研新人和产业化新人以蓬勃之姿成长起来，并逐步成为推动行业发展的中坚力量。

在中国科学院半导体研究所，由赵有文牵头成立的课题组拥有20余名成员。基于累积的理论成果和不断更新的生产设备，课题组先后承担了多项国家级重要项目及院企合作项目，在前沿科研和应用转化领域都取得了亮眼的成果。对于团队中的年轻人，赵有文寄予厚望，他常说“未来总是要交给年轻人的”。从自己的经验出发，在教导学生的过程中，他着重强调了打好基础、涉猎广泛、充分发挥交叉学科优势的重要性。“对于半导体材料的研究归根到底属于基础研究，对理论知识的要求是很高的。所以学生在‘一入门’的时候，就得掌握好足够多的理论知识，包括材料生长、晶体生长、半导体材料甚至物理和器件相关的理论知识，他们都要学习。打好理论基础之后，我还会督促学生多做实事、多做实验、多参与实际工作，在实践中不断磨炼自己。”赵有文娓娓道来，“关于材料的研究相对来说比较枯燥，不像其他行业趣味性比较强。一个材料实验可能要经历无数次反复，其间更是要面对各种需要解决的问题，诸如如何让单晶的缺陷降低甚至消除？如何让材料的品质更好？这都需要通过一次次的实验来找到问题的成因，并在实践中反复验证，最终才有可能解决这个问题。所以我就要求学生必须参与实际工作，同时他们还要认真地去看一些业内资料、研究文献和专业书籍，以开拓解决问题的思路，并逐步形成‘博采众长’的优势。”

赵有文是一名严师。对于各项学习任务，他制定了严格的标准，“该完成的任务必须完成，绝对不能拖，学生学习的任务、实验的进度都要抓紧”。在此基础上，他又是一位给予学生充分科研空间的导师，他对学生的各种尝试活动都很支持，并热切期待年轻人能更加积极地投入相关研究中。“充分信任学生的能力，督促他们多参与实践，反复进行验证，对自己的研究成果负责”，是他教学工作的真实写照。

而对于珠海鼎泰芯源晶体有限公司的团队，赵有文一直奉行着“专业人做专业事”的原则。针对不同的具体环节，在保证科研力量的同时，赵有文邀请有经验的技术工人、专业的运营人员加入团队，使公司运行更符合市场规律，从而实现稳定健康的长续发展。

被问及两次走过艰难奋进路的动力所在，赵有文将其归结为热爱和沉淀——“我对这份事业的执着，一方面是源于对半导体材料的热爱，另一方面也是我们做了这么多年相关研究所累积的信心。其他国家的人能做好的事情，我们也能做好。我就秉持着这样的信念，一做就是几十年。”与此同时，赵有文对于成果转化的坚定选择，也成为他前行的坚定动力：“我感到骄傲的地方，就是能够将研究成果投入实际应用。真正的产品要对社会有贡献，对产业发展有作用，这是最有意义的事。虽然这一路上有时候还是挺煎熬的，我们在做项目、做产品时都曾遇到过很多次失败，但我们坚信，失败了就继续做，总能迎来成功的一天。”