——记复旦大学光电研究院教授桑立雯

张方方  吴 彪  谭 凯

　　一部半导体产业的发展史，就是一部材料革命的演进史。第一代半导体材料以硅为核心，奠定了信息时代的基石；第二代半导体材料以砷化镓、磷化铟为主要代表，在卫星通信、移动通信、光通信等领域大放异彩。而如今，在全球科技产业向高效能、低功耗转型的浪潮中，氮化镓（GaN）作为第三代半导体的核心材料，正以其宽禁带、高电子迁移率、耐高温的独特优势，打破传统硅基器件的性能瓶颈。

　　“在射频器件方向，氮化镓能推动通信领域的高速发展；而在功率器件方向，将氮化镓用于各类快充充电器也有更强的优势。”复旦大学光电研究院教授桑立雯举例说。在她眼中，氮化镓与社会生活、生产息息相关，有着巨大的应用潜力。早在博士阶段，她就与氮化镓打交道了，从材料外延生长、光电器件制备到电子器件散热等，研究触角覆盖了氮化镓应用的多个关键环节。她清晰地认识到，在氮化镓领域，我国虽有差距，但更有弯道超车的机会，她希望自己能成为推动国内氮化镓技术发展的有生力量。

潜力氮化镓

　　2014年，诺贝尔物理学奖授予日本名城大学教授赤崎勇、名古屋大学教授天野浩及美国加州大学圣芭芭拉分校美籍日裔科学家中村修二，以表彰他们发明蓝色发光二极管（LED）并实现了新型节能光源的突破。“他们就是通过氮化镓晶体生长技术、低温氮化镓缓冲层、p型掺杂突破及双气流金属有机化学气相沉积设备（MOCVD）改造等技术路径推进研发的。”桑立雯说。

　　在氮化镓研究上，日本、美国起步较早，具有先发优势。而中国起步虽晚，却发力强劲。桑立雯感受最深的时间节点就是2014年。“此前，学界更注重利用氮化镓来研制光电器件，但在这之后，电子器件的研究需求日益高涨，发展也越来越快。”桑立雯表示，虽然国内在氮化镓研究起步较晚，但已经做出了很多极具特色的工作。“可能在尖端研究上，我们还需要进一步努力，但就终端应用来说，无论在市场还是产能上，中国都处于领先地位，是全球第三代半导体竞争的关键力量。”

　　桑立雯接触氮化镓时，正在北京大学宽禁带半导体研究中心攻读博士学位。“我不太想做一些‘摸不着’的东西，而作为宽禁带半导体材料，氮化镓距离应用比较近。”桑立雯说。彼时，氮化镓材料已经在光电器件领域展露出巨大的应用潜力。桑立雯的学术思维和治学理念深受沈波教授的影响。“做出一项好的成果很重要，但更重要的是厘清其中更深层次的物理机制，要做到知其然知其所以然。唯有如此，才能真正解决氮化镓投入实际应用时所面临的各种关键科学技术问题。”至今，沈波教授的教导仍然铭记在桑立雯的心中，这种务实的研究导向也深深影响了她的科研生涯。

　　2010年，桑立雯前往日本国立物质材料研究所（NIMS）进行博士后研究，2014年拿到该所的永久职位，任独立研究者。“我的科研之路是比较顺利的，但也遇到过迷茫。”桑立雯说。NIMS对新加入的青年学者往往有一个要求，希望他们能够做一些与原方向有所区别的研究。到底要做什么呢？桑立雯一边思考一边寻找，直到有一次参加学术交流时，发现同行正在挖掘氮化镓在电子器件上的应用研究，氮化镓材料已经从最初的LED照明扩展到功率电子及射频电子领域。“材料生长、器件制备等方向已经有了一定积累，但可靠性研究还是一个没有太多人关注的方向。”桑立雯认为，随着相关技术的突破，氮化镓正式进入应用进程后，“可靠性”将成为一个绕不开的问题，而她选中的方向则是散热。相较于传统散热方法，她的研究思路聚焦于从本质层面破解氮化镓芯片的散热瓶颈，探究微观尺度的热声子输运和能量耗散机制。由于当时整个研究中心都没有人研究这一方向，桑立雯只能独自摸索，需要学习的东西特别多。经历了两年多的过渡，桑立雯终于在这一方向上找到了自己的节奏，慢慢步入正轨。

找到用武之地

　　桑立雯回国时，复旦大学光电研究院创立才不过3年。

　　2021年，在中国科学院院士褚君浩的推动下，复旦大学光电研究院正式成立。光电研究院以多学科融合交叉为特色，重点研究先进光电材料、器件及系统集成，为国家重大需求和战略性新兴产业发展提供科技支撑和引领技术。在这个年轻的平台上，桑立雯感受到蓬勃的朝气。研究院希望能开展前瞻性、战略性和前沿性的研究，并促进相关支柱产业的发展，而前沿和应用一直是桑立雯科研生涯中的主旋律。

　　散热问题仍是桑立雯的研究重点。目前所知的天然物质中，金刚石具有最高的导热率，是制备氮化镓基电子器件不可或缺的散热材料，在铝镓氧化物/氮化镓高电子迁移率晶体管散热方面极有应用潜力。早在日本期间，桑立雯就极为关注氮化镓-金刚石（GaN-on-diamond）技术在下一代功率器件中的应用，她曾带领团队尝试用不同方法制备氮化镓-金刚石结构，并发现由于氮化镓和金刚石之间具有较大的晶格失配和热失配，主要制备方法都面临着应力大、界面粗糙和热边界电阻大等问题。其中，界面热阻的存在，使得热量集中在氮化镓和金刚石界面，极大影响了器件的可靠性。而桑立雯则针对不同制备方法下的界面热阻问题提出了解题思路。回国后，依托国家自然科学基金优秀青年科学基金项目（海外）等支持，她已经制备出了氮化镓-金刚石结构，目前，正在对其散热特性进行深入研究。

　　复旦大学所在的长三角地区，聚集了多家从事氮化镓器件研发的高新技术企业，这为桑立雯进行应用转化提供了极大的便利。回国前，她还担心过在产学研合作中是否会遇到障碍，但在与企业不断接触的过程中，这一顾虑被打消了。“我们采用的是在氮化镓外延层上生长金刚石的技术路线，企业对此也很感兴趣，想知道这个技术路线能不能为他们带来新的突破。我们现在已经生长出了质量优异的氮化镓-金刚石结构，我希望能够在优质基础上实现大面积生长，以满足应用要求，开展正式的产业合作。回来之后，我觉得我的用武之地很多。”

　　除此之外，桑立雯也在探索新的研究边界，她瞄准的是双色探测。“如果一个探测器能同时对红外和紫外都敏感的话，就具有更高的光谱选择性优势。”未来，她将与褚君浩院士团队就相关研究进行合作。

　　转眼间，桑立雯到复旦大学已经一年多了。在褚君浩院士和光电研究院的支持下，她已经顺利搭建起了实验室，并组建起一支近10人的科研团队。虽然在复旦大学是一位新人，但她在日本时已经有了培养十余名学生的经验，她崇尚培养学生的科研兴趣，启发学生的科研热情，教育学生通过寻找问题的本质来养成发现问题、解决问题的能力。无论多忙，她都会组织周会进行讨论，及时发现学生在科研工作中存在的问题，引导他们更好地开展自主科研。

　　“有一次开组会时，褚君浩院士正好过来，对我们提出的问题都给予了很好的指导。在青年人才的成长上，哪怕是小事，他也非常关心。”桑立雯对此十分感动。在这个新的平台上，她感觉自己身后有盾，前方有光。一切都在有条不紊地进行，她渴望在这片充满希望和活力的土地上，向着更高的科研目标迈进。

专家简介

　　桑立雯，复旦大学光电研究院教授、博士生导师，国家级海外高层次人才计划、上海市海外高层次人才计划入选者。主要从事宽禁带半导体材料外延生长、散热和光电微机电器件开发相关工作。2010年博士毕业于北京大学物理学院，随后赴日本国立物质材料研究所（NIMS）进行博士后研究；2012年加入NIMS青年科学家国际研究中心（ICYS）任研究员，2014年获得永久职位，先后任独立研究者、主干研究员；2024年作为引进人才到复旦大学光电研究院工作。曾主持日本科学技术振兴机构（JST）杰出青年先驱项目（PRESTO）、日本学术振兴会（JSPS）基盘等项目多项，参与JST、JSPS、日本文部科学省等项目十余项；荣获日本文部科学省文部科学大臣表彰若手科学者奖、仓田奖励奖等多项荣誉。在《自然》《先进材料》《先进功能材料》《物理评论快报》等权威期刊发表文章140余篇，第一/通讯作者文章40余篇。