成步文：放眼未來 不懈探索

本刊記者 伍泠豫

成步文：放眼未來 不懈探索

本刊記者 伍泠豫

成步文研究員和他的恩師王啟明院士

專家檔案：

成步文，研究員，博士生導師，中國科學院半導體研究所光電子研發(fā)中心副主任。目前主要從事Si基半導體異質結構材料的外延生長及相關光電子器件和光電集成技術的研究。在硅基異質結構材料外延設備、材料生長動力學、硅基光電子學器件等方面取得了重要研究成果。如：主持研制出國內(nèi)最先進的硅基異質材料外延專用超高真空化學汽相淀積（UHV/CVD）系統(tǒng)；首次觀察到自組裝Ge量子點生長中的形態(tài)反常演化和多層Ge量子點的斜對準耦合現(xiàn)象；國內(nèi)首次外延生長出高質量的硅基厚Ge材料和硅基GeSn合金材料，國內(nèi)首次研制出Si基Ge長波長高速光電探測器、SACM結構Ge/Si APD、硅基Ge/Si異質結室溫工作LED器件和全波段響應GeSn/Si光電探測器硅基光子學器件等。在國內(nèi)外重要期刊和會議上發(fā)表論文150余篇，獲得國家發(fā)明專利11項。

微電子技術經(jīng)過五十余年的高速發(fā)展，其特征尺寸已接近物理極限，“后摩爾定律”時代信息技術的發(fā)展走向成為世界共同關注的議題。硅基光子學和光電子集成技術近年來發(fā)展十分迅速，特別是隨著微納加工技術的發(fā)展以及新材料、新結構、新概念的運用，使得硅基光電子學充滿了生機和活力。

選擇了科學研究，就選擇了一條沒有盡頭的清苦而寂寞的道路，在硅基光電子學的研究道路上，中科院半導體所成步文研究員經(jīng)歷著蛻變，體味著艱辛，在事業(yè)與人生的每個路口處，都留下深沉的思考與穩(wěn)健的腳步，從容淡定，直道而行……

記者：您長期從事硅基光電子材料和器件的研究工作，在該領域積累了豐富的經(jīng)驗。作為專家，請您簡單介紹一下我國在該領域的發(fā)展狀況？與世界其它發(fā)達國家相比有著怎樣的差距？影響其發(fā)展步伐的主要障礙是什么？

成步文研究員：我國硅基光電子學的研究開始于上世紀80年代末90年代初，開始時并沒有受到重視，隨著人們對硅基光子學研究應用前景的認識進一步深入，很多的研究團隊加入到了這一研究領域中。特別是最近5年來，從事這一領域研究的人數(shù)劇增，取得了一批重要成果，硅基光子學的研究進入了快速發(fā)展期。從硅基SiGe、Ge、GeSn材料外延，到硅基發(fā)光器件和光探測器等有源器件，再到光調(diào)制器、光開關、光濾波器、復用解復用器、耦合器等波導器件，都取得了好的進展。

我們的材料外延和單元器件研制水平與世界上其他國家的水平并無多大差距，主要的差距在集成和應用方面。硅基光子學的主要應用必須要結合硅基CMOS電路和工藝，充分發(fā)揮硅CMOS技術的優(yōu)勢，所以真正的應用要與硅集成電路結合。要推動硅基光子學技術的應用，就必須與IC廠家緊密合作，這其中存在很大的障礙。

記者：近年來，您先后主持和參與了多項重大基金、重點基金、973和863等國家重要研究課題，取得了多項科技成果。請問，其中哪一項是您認為最具開創(chuàng)性的呢？你是在怎樣的背景下開展這項技術的呢？期間，您遇到了哪些困難，您是如何帶領團隊“突圍”的？

成步文研究員：我開展硅基光電子的研究工作將近20年了，從設備的研制到材料的制備，再到器件的研制，期間也負責完成了一些重要的研究課題，印象最深的工作有兩個，其一是硅基外延生長設備（超高真空化學氣相淀積設備UHVCVD）的研制。當時除MBE比較成熟，有商品化設備外，沒有其它硅基異質材料外延的商用設備，而且MBE設備在材料質量和產(chǎn)業(yè)化等方面有明顯的劣勢，所以我們只能自己研制新設備。

經(jīng)過認真調(diào)研，我們決定與中國科學院沈陽科儀中心合作開展硅基異質結構材料生長的UHVCVD設備的研制。我們主要提出物理設計，特別是生長室的設計和供氣系統(tǒng)的設計、生長程序控制等，沈陽科儀中心負責設備的實現(xiàn)。1996年建立了當時國內(nèi)最先進的UHVCVD設備，我們一面運行一面對生長動力學過程有了深入了解，對設備進行了多項改性，如制備分壓反射高能電子衍射儀，配備原位數(shù)據(jù)和圖像采集系統(tǒng)，增加氣體保護系統(tǒng)、液氮冷壁系統(tǒng)、串連真空抽氣系統(tǒng)等。經(jīng)過這些改進，使設備更加適合硅基異質材料的生長，制備出了晶體質量優(yōu)良的SiGe合金材料，從而為我們后來的硅基光電子學研究打下了一個很好的基礎。

第二個印象深的事是硅基Ge材料的生長。當時承擔了一個863課題“Si襯底上的高速Ge光電探測器集成技術”，課題研究時間由申請時的3年改成2年，任務相當緊。課題的關鍵是硅基Ge材料的外延生長，當時嘗試了多種納米圖形襯底技術，但是都不成功，生長不出連續(xù)的高質量外延薄膜，時間卻快過了1年。這時，有人用低溫過渡層技術生長出了硅基Ge材料，但似乎不適合我們的外延設備，因為我們將生長溫度降到450℃時，還是三維的島狀生長，還不能實現(xiàn)平面生長，而生長速度已經(jīng)低到無法接受的程度，再降低生長溫度生長似乎不現(xiàn)實。當時考慮的是一定要突破常規(guī)的想法，于是我嘗試將溫度進一步降低，當將生長溫度降低到290℃時，可以獲得平整的表面，而且生長速度反而比較高，其生長的物理機理也搞明白了。突破了過渡層的生長，后面的事也就迎刃而解了，最終順利地按時圓滿完成了課題任務。由于在硅基Ge材料外延生長技術上的突破，我們研制出了高速Ge光電探測器陣列、SACM結構Ge/ Si APD器件，硅基Ge發(fā)光二極管等光子學器件，并在硅基Ge材料上外延出高質量的GeSn合金材料，制備出了長波響應的GeSn光電探測器。我們還在硅基Ge外延材料上生長出了InGaAs材料等。其中“硅基室溫電流注入Ge/Si異質結發(fā)光二極管”入選由《激光與光電子學進展》評選的“2009年度中國光學重要成果”。GeSn光電探測器的性能處于目前國際領先水平，2011年在Optical Express發(fā)表后被雜志Laser Focus World在News Breaks欄目中作為重要進展進行了跟蹤報道。

成步文研究員的研究團隊

記者：溫家寶總理說：“自主創(chuàng)新是科技發(fā)展的靈魂，是一個民族發(fā)展的不竭動力，是支撐國家崛起的筋骨?！蹦窃鯓宇I會溫家寶總理的講話精神的？能否結合實際工作，談談您對自主創(chuàng)新的認識？對自主創(chuàng)新的機制、體制建設有什么合理建議？

成步文研究員：首先，我認為創(chuàng)新確實很難，而且有時是矛盾的。一方面，沒有深厚而寬廣的知識積累就不可能有比較好的革命性的創(chuàng)新。另一方面，積累的知識和常識往往又會束縛人的思想，給自己劃了一個思想的圈子，妨礙創(chuàng)新。

另外，創(chuàng)新往往是在比較放松的情況下產(chǎn)生的。所以，給科研人員比較寬松的環(huán)境是必須的。一個時時為生計而擔憂的人，他哪會有創(chuàng)新思想出現(xiàn)？

記者：請您結合人生經(jīng)歷談一談為什么會選擇這一專業(yè)作為自己的發(fā)展方向？有什么特別的人或事給了您啟發(fā)嗎？

成步文研究員：對我的影響最大的是王啟明院士，實際上是他首先在國內(nèi)提出開展硅基光子學的研究，在他開始組建硅基光電子材料和器件研究組時，

科我就加入了這一團隊，跟隨王啟明院士已快20年了，他的為人、做事的原則方法等深深地影響和教育了我，他就是我學習的榜樣，是不可逾越的豐碑。他為人真誠謙遜、平易近人；做事認真負責講原則，意志堅定堅忍不拔；他學識淵博，高瞻遠矚，對科研動態(tài)和發(fā)展趨勢判斷非常準確。在他的指導下開展工作是我之大幸。

記者：您目前的工作重點是什么？進展如何？

成步文研究員：我目前還在致力于硅基光子學的研究，主要是新型硅基異質結構材料的外延生長及其在光通信器件、光互連器件和太陽能電池方面的應用。主要包括硅襯底上的鍺、鍺錫和化合物半導體材料的外延生長，并用生長的異質材料研制硅基高效發(fā)光器件、高速低功耗光調(diào)制器、高速光電探測器、全光譜太陽能電池等，進展比較順利。

后記：任何一件有意義的工作，總會暗生荊棘，擋在四周。從躊躇滿志的莘莘學子，到嶄露頭角的青年才俊，再到今天學識淵博的科研專家，歲月磨礪使成步文教授從心底騰涌起一片寧靜淡泊。本著對科學的無限熱愛，他為事業(yè)傾注著全部的心血，打造著科研工作的精益求精，他深邃的目光始終放眼未來，對祖國硅基光電子學科技的發(fā)展進行著不懈的探索……