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王占国院士:五十八载血与汗 用“胡思乱想”破解半导体材料研究迷局

来源:新材料在线|

发表时间:2021-05-27

点击:32681

如今,半导体材料国产化进程受挫,令这位头发花白的老院士揪心不已。


新材料在线®

《大国之材》原创文章,转载请联系微信:EILIG2014

新材料在线 ID:xincailiaozaixian

图片:受访人提供、图虫创意


阳光冲破黎明的黑暗,透过绿叶照射大地,清脆的鸟鸣在阳台回荡。回忆起科研生涯外的生活点滴,爱养鸟的王占国院士格外钟情早晨这段惬意时光。


与人交流时,王占国谈吐举止间的温文尔雅,释放着平易近人的信号,容易使人忘记他的中国科学院院士、中国科学院半导体所研究员、世界著名的半导体材料物理学家等头衔。


但他是典型的“两面派”,回归科学研究,他从不“随和”。凭借自立自强的性格,王占国敢于提出“胡思乱想”挑战权威,解决了国际上对GaAs中A、B能级和硅中金受主及金施主能级本质的长期争论。


这位早已头发花白的82岁老院士,进入中国科学院半导体所工作,至今已有近60年。


△2017年10月13日,王占国在半导体所办公室


早期科研生涯里,王占国致力于人造卫星用硅太阳能电池辐射效应以及电子材料、器件和组件的静态、动态和核爆瞬态研究,为我国两弹一星事业做出了贡献。还率先提出了混晶半导体中深能级展宽和光谱谱线分裂的物理模型。


如今,西方国家对我国实行严格的出口管制措施,迫使半导体材料国产化形势愈加严峻。即使已过耄耋之年,王占国却时刻关注半导体的科研发与市场动态,提及相关话题,这位老院士的言语中多了几分激昂。


01

60年潜心科研报国


在科学路上探索前行,需要有披荆斩棘的勇气。


谈及多年来在半导体材料领域攀爬过的一座座高峰,王占国认为自己并非异禀天赋,只是付出的汗水比常人多。


“我是一个来自农村的穷学生,是国家给了我机会,我才能读完大学,成为一名科研工作者,所以我没有理由不努力。”


1962年,从南开大学物理系毕业后,王占国被分配至中国科学院半导体研究所半导体材料室。时任室主任的林兰英先生对他说:“材料物理是材料的眼睛,决定着材料的质量,非常重要。”


恩师的一席话,令这位20岁出头的年轻人热血沸腾。从那时起,一心想着报效祖国的王占国,开始了长达半个多世纪的半导体材料和材料物理研究之路。


1967年,半导体所承担了研制和生产“实践1号卫星”硅太阳能电池板的任务,这是中国自主研制的第一颗科学探测和技术实验卫星。然而,半导体硅太阳能光伏电池在空间中运行时,会遭到电子辐射,使电池无法长时间在空间运行。


于是,1967年6月王占国等三人到上海中科院有机所,负责卫星用硅太阳电池的电子辐照效应研究。由于实验设备年久失修,阻挡电子束的继电器失灵,加之两位同事不肯进入靶室取放实验样品,致使王占国的右手被高能电子射线照射灼伤,但他忍着剧痛,坚持完成了实验。


一番攻坚克难后,王占国发现NP结硅太阳电池抗电子辐射的能力比PN电池大几十倍。随后,半导体所将NP电池定型投产,圆满完成了“实践1号”卫星用太阳能电池板的研制和生产任务。


“虽然右手留下终生疤痕,但实验结果让我感到很欣慰。”提及此事,王占国的言语中只有实验成功后的喜悦。据悉,“实践1号卫星”的设计寿命为一年,实际在太空中工作了8年之久,直到1979年6月17日才陨落。


这般不惜为科研献身,甘愿成为未知领域开荒者的精神,或许正是老一辈科学家们的家国情怀魅力所在。


1980年,王占国作为访问学者,前往瑞典隆德大学固体物理系进修,导师派给他的题目是:“GaAs中A和B中心的行为研究”,这是一个在电子系统里研究空穴行为问题。瑞典的同事对他说,这是一个在系里搁置多年没人愿意做的难题。


△1980年,王占国作为访问学者在瑞典隆德大学


骨子里的自立自强,绝不允许他给祖国丢脸,王占国只好硬着头皮在设备落后的实验室里潜心研究。但10多天后,实验仍无实质性进展,他急得像热锅里的蚂蚁。


某天,热衷于“胡思乱想”的王占国灵机一动,试着将加在P+N结上的偏压,由高到低再回高进行控制。来回倒腾多次,经过反复的实验,困扰他多日的难题最终被解决!“听闻这项发现后,系里的学术助理和学生都跑过来问东问西,非常热闹。”回忆起那时的场景,这位老科学家更像是个炫耀玩具的孩童。


当时,在爱立信任职的格尔马斯教授由斯德哥尔摩回到隆德,听了王占国的汇报后,立刻叫来管理设备的工程师,激动地对他说:“我要给你建一个系里最好的实验室!”


△2000年,格尔马斯和王占国在法国合影


后来,这间实验室为王占国解决GaAs中的A、B中心和硅中金受主及金施主能级本质的争论提供了坚实的物质基础。


02

半导体材料“难产”迷局


王占国研究成果的重要性,在第三代半导体材料热潮中越发明显。


在贸易摩擦加剧与摩尔定律见顶的双重背景下,第三代半导体材料及其制备的各种器件,成为了全球半导体技术研究和产业竞争的焦点。


第三代半导体材料包括碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)等宽禁带半导体材料,因高效、高功率、抗辐射能力强等优越性能,成为光电器件、功率器件“核芯”。众多发达国家早已将第三代半导体材料列入国家计划,并竭力抢占制高点。


2018年,搭乘5G通信、新能源汽车、绿色照明等新兴领域的风口,在国家政策的大力扶持下,我国第三代半导体的市场规模已达到5.97亿元,同比增长47.3%。相关研究表明,2021年这一数值或将达到11.9亿元。


如今,我国在SiC研究和产业化上取得了长足进步,4英寸6H-SiC导电衬底材料和外延材料已基本实现产业化生产,并具有少量6英寸供片能力。但我国第三代半导体材料产业化依旧落后,4-6英寸高纯半绝缘4H-SiC质量还有待提高。


第三代半导体材料“难产”,归根结底还是输在了起跑线上:产业化起步晚,企业深受材料与器件质量困扰。


但其实早在1993年,王占国及其团队就已经在专攻半导体低维结构的生长和量子器件制备。并成功研制出量子级联激光器、量子点激光器、量子点超辐射发光管等半导体器件。


△2016年10月,王占国与学生在MBE 实验室


20多年前就已经开展相关研究,为何产业化还是慢了?


“SiC器件(如IGBT)级材料并不是简单的体材料,而是一种微结构材料,只有把器件级材料结构做好,器件才能做好。” 王占国向《大国之材》解释道。


翻看过去的发展史,不难发现端倪。长期以来,我国看重半导体材料的市场竞争,忽视了半导体器件级材料,缺少研发资金和领军人才,SiC器件的产业化脚步渐渐地慢下来。


即便有科研成果也行不通,产业化还需要资金助力,尤其是低维半导体材料这类高端产业,没有高投入妄想获得回报。


“十三五”期间,为鼓励企业参与重要成果产业化专项,规定由科研单位牵头的项目,必须有相关企业参加。企业除了得到国家的经费支持外,还必须投入相应的匹配资金,用于加速成果转化。


但实际执行结果与初衷相悖,肯拿出资金者寥寥无几。另外,市场只求快速回报,持续高投入的半导体材料,显然不是投资者的心头好。各类矛盾混杂交错,高新技术成果产业化成了空话。


一辈子都在与半导体材料打交道的王占国,对其研究领域的情怀,印刻在了骨髓。如今,半导体材料国产化进程受挫,令这位头发花白的老院士揪心不已。


03

不达高峰誓不归


从0~1的创新过程,本就投入大、周期长,加上美国等西方国家对我国半导体行业实行严格的出口管制措施,致使半导体材料国产化局势愈加严峻。


被“卡脖子”的滋味,的确不好受。国内相关人士对半导体材料的预判,出现了两种声音:有人认为断供必定导致相关产业停滞不前,另一方则认为断供风波将促使我国半导体迸发新气象。


“短期内的确会阻碍我国半导体发展,但断供必将激发研发人员的创新能力;长远来看,必将造就一批像华为那样的高技术企业,从而立于不败之地。”对我国半导体的局势,王占国有自己的思考。


2017年,雅克科技通过“外延式并购”、“合作”等方式,进入半导体领域,一跃成为以电子材料为核心的战略信息材料平台型公司。但在西方国家的极力阻挠下,这种曲线救国的国产化发展模式,显然失灵了。


核心技术要不来、买不来、讨不来。面对禁令,除了自立自强,别无选择。但半导体材料国产化破局的关键究竟在哪里?


“人才和资金,缺一不可。”


作为博士生导师,王院士先后培养硕士、博士和博士后百余名,阅人无数的他对人才培养有着独到见解。


△2005年6月22日,王占国与博士生合影


“填补半导体材料的人才缺口,可制定鼓励国外华人和有志在华发展的专家回国创业政策,张汝京先生就是一个典型的例子。”提及人才战略,王占国丝毫不掩饰对张汝京的敬佩。


除了引进人才,资金也是半导体材料产业化的重要保障。


2019年10月,大基金二期注册成立,伴随着我国半导体产业政策的密集出台,大基金二期或将重点投资设备及材料领域。基金的加码,或许是半导体材料跃进的良机,关键点落在了如何用好基金上。


“首先立项专家应站在国家立场,保障项目竞争公平公正。其次,应选择产业化前景广阔、技术成熟的高科技成果。”王占国谈到。


抓牢“人才”和“资金”两个破冰口外,他认为市场和企业的浮躁风气也亟需整改。“我国中小企业众多,常对一些‘热门’材料或器件,如多晶硅材料、半导体发光二极管等,不管是有没有条件,都一哄而上企图分得一杯羹。”


尽管在中国半导体材料漫漫发展历程中,有卡脖子、缺资金、缺人才等无法言说的痛楚,但却依旧没能阻挡一代代科研者的决心和意志。


△2000年,王占国和他的博士研究生陈涌海


在《大国之材》的采访尾声,王占国表达了对“后浪”们的期望:


“尊敬的半导体材料科学工作者,我用下面的打油诗共同勉励:科学发展无止境,科技创新是灵魂,壮士立下凌云志,不达高峰誓不归。”



一纸记载,满腔情怀,欢迎指正

THE END





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