穿越日盲區(qū)
——“先進日盲紫外探測與應(yīng)用技術(shù)”創(chuàng)新記

本刊記者 王 涵

穿越日盲區(qū)
——“先進日盲紫外探測與應(yīng)用技術(shù)”創(chuàng)新記

本刊記者 王 涵

在國際科技論壇上作報告

專家簡介：

張榮，山東大學(xué)校長，國家杰出青年基金獲得者，教育部長江學(xué)者特聘教授，國家“萬人計劃”科技領(lǐng)軍人才，教育部科技委委員。曾任南京大學(xué)常務(wù)副校長。1964年2月出生，江蘇大豐人。20多次擔(dān)任國際學(xué)術(shù)會議主席/副主席、程序/組織委員會主席/副主席。曾獲得國家自然科學(xué)基金委創(chuàng)新群體基金（2004）、科技部重點領(lǐng)域創(chuàng)新團隊（2013）支持，帶領(lǐng)團隊榮獲教育部自然科學(xué)獎一等獎（2010）和技術(shù)發(fā)明獎一等獎（2013）；被授予國家自然科學(xué)獎二等獎（2003年，第二完成人），是2016年度國家技術(shù)發(fā)明獎二等獎項目“先進日盲紫外探測與應(yīng)用技術(shù)”第一完成人。

240～280nm是一個特殊的波段。當(dāng)這一波段的紫外光穿過大氣層時，其光子目標(biāo)信號會和臭氧層產(chǎn)生的強烈“反應(yīng)”，幾乎被吸收殆盡。這樣一來，該波段的太陽光信號，在地表幾乎完全不存在，形成了一個天然“日盲區(qū)”。如果地球上探測到該日盲波段信號即表示有特殊事件的發(fā)生。

要知道，除了強閃電之類的異?，F(xiàn)象，槍支開火、炸藥爆炸、火災(zāi)和高壓輸電線漏電等都會產(chǎn)生日盲信號。而日盲紫外信號非肉眼所見，如何把這些隱匿在日盲區(qū)內(nèi)的危險信號找出來？如何讓它們的“形象”顯示在人前？已經(jīng)是國際公認(rèn)的軍事制高點，被視為電子領(lǐng)域的尖端技術(shù)。

“由于日盲紫外技術(shù)在紅外紫外雙色制導(dǎo)、導(dǎo)彈識別跟蹤、艦載通訊等國防領(lǐng)域具有重大戰(zhàn)略意義，西方國家對我國實行嚴(yán)密核心技術(shù)封鎖。我們必須通過自主創(chuàng)新，開辟新的技術(shù)路徑。”張榮說。近日，他們團隊的“先進日盲紫外探測與應(yīng)用技術(shù)”剛剛被授予2016年度國家技術(shù)發(fā)明獎二等獎。而他和項目組在做的就是穿越日盲區(qū)的限制，拓展其應(yīng)用前景?！俺藝?，這項技術(shù)在電網(wǎng)安全監(jiān)測、醫(yī)學(xué)成像、海上搜救、環(huán)境與生化檢測等民生領(lǐng)域也有重要應(yīng)用。”

劍指“三高”，引領(lǐng)日盲紫外探測潮流

高靈敏日盲紫外光子信號探測是世界性難題。但究竟為什么探測困難？通過張榮的科普，記者得知，日盲紫外光子目標(biāo)信號傳輸損耗大、帶外噪聲干擾強，需要探測系統(tǒng)具備在日盲紫外帶外全波段1015抑制比。也就是說，要在一千萬億個波長大于280納米的背景光子中探測到單個或者若干個日盲紫外光信號，無異于大海撈針。然而，就算日盲紫外探測與成像再困難，他們也希望有朝一日能夠做出應(yīng)用級的技術(shù)。這一點，從他們決定投身該項研究時就明確了。

該項目是以新一代紫外探測器優(yōu)選材料——Ⅲ族氮化物的晶體生長和能帶調(diào)控作為技術(shù)基礎(chǔ)的。這里所說的“Ⅲ族氮化物”主要指的就是AlGaN三元合金化合物半導(dǎo)體。

據(jù)介紹，高Al組分的Ⅲ族氮化物半導(dǎo)體的外延生長通常面臨著一些特殊的困難。究其原因，一是由于Al原子相對于Ga原子具有更大的粘滯系數(shù)，擴散長度小，難以形成二維生長模式；二是Al原子與作為生長氣源的NH3寄生反應(yīng)嚴(yán)重，而氮化物半導(dǎo)體與現(xiàn)有的襯底材料之間也存在較大的晶格失配等問題。與此對應(yīng)，在研究中就不得不面對AlGaN材料制備時存在的Al組分控制以及材料缺陷控制所帶來的挑戰(zhàn)。而隨著Al組分的增加，AlGaN材料Mg受主離化能偏高，研究者又必須解決另一個關(guān)鍵問題——獲得高空穴濃度的p型AlGaN。

與外國學(xué)者交談

為此，團隊發(fā)明了調(diào)控異質(zhì)界面應(yīng)力的新型插入層、抑制寄生反應(yīng)的源流量控制、提高激活率的p型摻雜等技術(shù)，實現(xiàn)了低缺陷密度和高空穴濃度的日盲波段AlGaN材料制備。與原有技術(shù)相比，他們的方法使得材料位錯密度降低了1～2個量級，空穴濃度提高了1個量級，完全可以擔(dān)當(dāng)起高靈敏度日盲紫外探測器件研制的技術(shù)后盾。

高性能材料問題解決了，接下來就該是如何提高先進日盲紫外光電探測器件的靈敏度了。

一般來說，Ⅲ族氮化物半導(dǎo)體具有強達(dá)M V/c m量級的壓電極化和自發(fā)極化效應(yīng)，對器件的光電性質(zhì)有極其重要影響。張榮團隊要設(shè)計氮化物器件，自然也不會放過這個必須考慮的重要因素。他們認(rèn)為，如果善加利用，可以取得奇效。事實證明，他們創(chuàng)立的極化增強探測器設(shè)計理論的確是一個潛力股。在該研究中，他們碰撞出一個重要的靈感——通過p型層/倍增層異質(zhì)結(jié)將極化場引入雪崩光電探測器（APD）的倍增層。

“APD的性能主要體現(xiàn)在雪崩增益和暗電流這兩個關(guān)鍵參數(shù)上。新一代半導(dǎo)體材料Ⅲ族氮化物的日盲紫外APD，由于高Al組分AlGaN材料存在較高缺陷密度和較低p型摻雜效率，為實現(xiàn)高雪崩增益和低暗電流帶來巨大的挑戰(zhàn)?！表椖拷M一致認(rèn)為，這種新的倍增層結(jié)構(gòu)一舉數(shù)得：既可以提高倍增層電場和降低雪崩擊穿時的外加偏壓，也能夠降低雪崩擊穿時暗電流，實現(xiàn)極化增強日盲紫外APD。與無極化增強的傳統(tǒng)AlGaN雪崩光電探測器相比，新結(jié)構(gòu)能夠?qū)⒀┍辣对鲆蜃犹嵘齼杀兑陨?，從而使器件主要性能參?shù)增益和暗電流均達(dá)到目前國際公開報道的最好值。

在他們看來，要實現(xiàn)真正的高靈敏度，探測器還需要其它有助于提高靈敏度的增強結(jié)構(gòu)。為此，他們對業(yè)內(nèi)一直沿用的雪崩結(jié)構(gòu)進行了創(chuàng)新，提出了加速區(qū)和倍增區(qū)分離的新結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)既可以大大降低雪崩噪聲，同時降低了材料制備難度，增加了器件設(shè)計靈活性和工藝可重復(fù)性。他們還提出了AlGaN分布布喇格反饋結(jié)構(gòu)生長的界面控制技術(shù)，首次研制出具有高晶體質(zhì)量和平坦陡峭界面的三層周期日盲紫外共振增強結(jié)構(gòu)，有效解決了傳統(tǒng)的高低折射率兩種材料晶格失配和折射率差之間的矛盾，實現(xiàn)了具有高反射率的日盲紫外反射鏡。對張榮團隊來說，他們的作為無疑是為高靈敏紫外光電探測器開拓了一個新的方向，成為潮流的引領(lǐng)者。

經(jīng)過層層鋪墊，張榮團隊終于走到了實現(xiàn)高精準(zhǔn)度日盲紫外定位成像技術(shù)這一步。前期調(diào)研之后，他們發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)日盲紫外探測器最大的缺陷在于帶內(nèi)靈敏度相對較低、帶外噪聲高，這直接導(dǎo)致日全盲級單光子靈敏度紫外定位成像技術(shù)前行無力。

“國際上只有以色列實現(xiàn)了日全盲級單光子靈敏度探測成像技術(shù)，但對我國實行技術(shù)禁運。”時至如今，他們已經(jīng)可以輕描淡寫地來面對這個問題。過去的十幾年中，張榮團隊提出高精準(zhǔn)度日盲紫外定位成像算法，建立了日盲紫外靈敏度量化理論，解決了一系列難題，發(fā)展了具有單光子靈敏度的日盲紫外成像技術(shù)，實現(xiàn)了國產(chǎn)化，打破禁運，填補了國內(nèi)空白，使我國成為繼以色列之后世界上第二個掌握該尖端技術(shù)的國家。

基于該成像技術(shù)，他們開發(fā)了具有國際領(lǐng)先水平的全天候電暈定位監(jiān)測與電網(wǎng)安全預(yù)警系統(tǒng)，可以檢測pC級（10-12庫倫）的放電信號；此外，他們還發(fā)明了分米級高精度紫外定位導(dǎo)航技術(shù)，首次研發(fā)了港口船舶穿霧靠泊導(dǎo)航系統(tǒng)，從而開辟出日盲紫外精確導(dǎo)航這一新技術(shù)領(lǐng)域，被《科技日報》評為2015年我國十大核心技術(shù)第一名。

與諾貝爾獎獲得者丁肇中教授交談

參觀美國芝加哥大學(xué)創(chuàng)新實驗室

打破禁運，做好國產(chǎn)化應(yīng)用

在國家技術(shù)發(fā)明獎申報書上，張榮團隊明確列出了三大發(fā)明點，即前文所述高性能AlGaN日盲紫外探測材料制備技術(shù)、高靈敏度日盲紫外光電探測器件技術(shù)、高精準(zhǔn)度日盲紫外定位成像技術(shù)。

說是三點，卻是他們用30件授權(quán)發(fā)明專利和2項軟件著作權(quán)串聯(lián)起來的一整套自主知識產(chǎn)權(quán)鏈條。在此過程中，他們發(fā)表了SCI論文65篇，做國際邀請報告17次，產(chǎn)生了重要的國際影響。這一切，都是在為他們進行成果轉(zhuǎn)化創(chuàng)造條件。

早在2010年，項目組研發(fā)的高靈敏紫外光電探測技術(shù)就在南京白云化工環(huán)境監(jiān)測有限公司進行了應(yīng)用。自2012年起，該技術(shù)又被拓展到江蘇同庚、武漢嘉業(yè)恒科等數(shù)家企業(yè)。在2015年的驗收中，幾家企業(yè)均給出了“性能穩(wěn)定”“維護簡單”“降低成本”等正面反饋，江蘇同庚在報告中更是表明，該技術(shù)“可完全取代進口”。

“這些企業(yè)將高靈敏紫外探測器用于太陽紫外線指數(shù)、火焰控制、紫外水凈化消毒監(jiān)測等多個領(lǐng)域?！眻F隊成員介紹說。但這還不算他們的“主打”轉(zhuǎn)化途徑，他們的成果主要用于國防紫外探測、電網(wǎng)安全監(jiān)測和港口船舶靠泊導(dǎo)航等領(lǐng)域。

2011年，中國電子科技集團公司就在整機系統(tǒng)中做了大膽嘗試，至今已經(jīng)運行了5年多。經(jīng)過量產(chǎn)實施后，該器件組件在江蘇南大五維電子和紫峰光電科技等單位進一步轉(zhuǎn)化，得以廣泛應(yīng)用，打破了國際上對我國的技術(shù)封鎖，突破了產(chǎn)業(yè)化關(guān)鍵技術(shù)。

談到電網(wǎng)安全監(jiān)測，就不得不提到紫外檢測的又一重好處。它能夠在電網(wǎng)故障早期發(fā)現(xiàn)漏電，而傳統(tǒng)的紅外、超聲等技術(shù)手段要到漏電后期才能監(jiān)測到電暈信號。這種超前的敏感性也是利用其研發(fā)全天候電暈定位監(jiān)測與電網(wǎng)安全預(yù)警系統(tǒng)的重要因素。

在產(chǎn)學(xué)研協(xié)調(diào)下，該系統(tǒng)在江蘇南大五維電子和紫峰光電科技公司華麗變身，成為量產(chǎn)型的“日盲紫外電暈檢測儀”。目前，該產(chǎn)品已在江蘇省電網(wǎng)公司電力科學(xué)研究院、國網(wǎng)四川電力公司電力科學(xué)研究院等多家單位得到了應(yīng)用推廣。在進口產(chǎn)品占主導(dǎo)的國內(nèi)市場上，日盲紫外電暈檢測儀以“成像效果良好，電暈型號成像清晰，便于攜帶，方便巡檢人員的檢修工作”等優(yōu)勢，迅速立足，并掙得一席之地。到2015年，該產(chǎn)品在電力市場上的占有率已經(jīng)高達(dá)30%。

隨著這股勢頭，南大五維也承擔(dān)起電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《高壓電氣設(shè)備放電監(jiān)測用紫外電暈監(jiān)測儀技術(shù)條件》和國網(wǎng)企標(biāo)《電力設(shè)備帶電檢測儀器技術(shù)規(guī)范第3部分：紫外成像儀技術(shù)規(guī)范》的編寫工作，為日后國內(nèi)紫外產(chǎn)品市場的有序發(fā)展做出了重要貢獻(xiàn)。

南大五維與項目組的合作不僅如此，高精度日盲紫外定位導(dǎo)航技術(shù)也是通過這個“小伙伴”完成產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)化的。他們研發(fā)的港口船舶靠泊導(dǎo)航系統(tǒng)可以實現(xiàn)在任意復(fù)雜環(huán)境下高精度、實時定位導(dǎo)航。對近年來頻發(fā)的霧霾天氣來說，這無疑是船舶安全入港靠泊的福音。

據(jù)介紹，傳統(tǒng)方式進行定位導(dǎo)航的模式，在面對能見度低于1000米的霧霾情況時就步入了不確定狀態(tài)。但他們研發(fā)的日盲紫外穿霧定位靠泊導(dǎo)航技術(shù)能夠在可視度極低的復(fù)雜環(huán)境中直觀成像，同時計算船舶自身的準(zhǔn)確方位和姿態(tài)信息，從而解決惡劣環(huán)境及氣候下精確靠泊導(dǎo)航的世界難題。2012年起，該技術(shù)已經(jīng)在青島港進行了數(shù)十次港口靠泊試驗，真正實現(xiàn)了全天候全時可視的精確導(dǎo)航，將大型船舶的港口靠泊精度創(chuàng)紀(jì)錄地提高到距離誤差小于60cm，角度誤差小于0.1度的全新水平。這是中國創(chuàng)造，也是世界首創(chuàng)，他們的“杰作”將原來約15%船艦不能在霧天靠泊碼頭的變成了全天候運轉(zhuǎn)。

這些只是“先進日盲紫外探測與應(yīng)用技術(shù)”在推廣路上的一個個縮影。事實上，通過近幾年的量產(chǎn)，他們已經(jīng)推出了多種規(guī)格的紫外探測和成像產(chǎn)品。而僅僅3年，這些產(chǎn)品就已經(jīng)產(chǎn)生了直接經(jīng)濟效益7318.72萬元，間接經(jīng)濟效益超過6億元。與張榮團隊合作的應(yīng)用單位，也都成為我國日盲紫外探測與成像產(chǎn)品的主要供應(yīng)商。在他們的努力下，國產(chǎn)日盲紫外探測與成像產(chǎn)品打了一場漂亮的翻身仗，“國際禁運”終于成了一紙空談。

獲2016年國家技術(shù)發(fā)明獎二等獎

參觀德國亥姆霍茲研究會藥物學(xué)研究所

研路漫漫，唯熱愛與專注同行

當(dāng)張榮和團隊緊鑼密鼓地忙于研發(fā)和轉(zhuǎn)化時，時間似乎總是不夠用。而當(dāng)他回首來時路，在項目書的起始時間一欄填寫上“1998年1月1日”時，才注意到，為了先進日盲紫外探測與應(yīng)用技術(shù)系列，他已經(jīng)走過了19年光陰——從1998年年初開始至今。

正是有了這十幾年的努力，他們的項目成果才得到了美國加州大學(xué)伯克利分校、英國劍橋大學(xué)等一大批世界著名高校及科研院所的高度評價，就連德國AIXTRON公司、美國Vecco公司以及韓國三星等高科技企業(yè)也對之表示了濃厚的興趣。尤其是紫外探測器件好評如潮，Semiconductor Today兩次進行專門評介，Compound Semiconductors更是直接表示AlGaN日盲紫外探測器具有“創(chuàng)紀(jì)錄的低暗電流”。直到2016年1月教育部科技查新工作站查新時，他們的眾多性能參數(shù)依然遙遙領(lǐng)先。

這條漫長的攻關(guān)道路上，張榮團隊的工作得到“973”計劃、國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金重大/重點項目以及國防專項等數(shù)項支持。通過這一系列項目，他們培養(yǎng)出博士42名、碩士75名、工程師6人，高級工程師2人，為紫外探測、成像及應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展推出了一批創(chuàng)新人才。他本人也當(dāng)選教育部長江學(xué)者獎勵計劃特聘教授。

除了攻克先進日盲紫外探測與應(yīng)用技術(shù)外，張榮還率領(lǐng)團隊在我國首個固態(tài)照明領(lǐng)域國家“973”計劃的支持下，開展了半導(dǎo)體固態(tài)照明用超高效率氮化物L(fēng)ED芯片基礎(chǔ)研究。到2015年結(jié)題時，該項目部分成果被世界權(quán)威雜志評述為“提高LED發(fā)光效率的開創(chuàng)性成果”，外延芯片技術(shù)成果打破了高端產(chǎn)品完全依賴進口的局面，提高了我國在半導(dǎo)體照明領(lǐng)域的國家競爭力。其中的高端LED芯片技術(shù)、圖形襯底技術(shù)、新型電極技術(shù)等也已經(jīng)在相關(guān)企業(yè)產(chǎn)業(yè)化。

顯然，對張榮來說，他的科研生涯中不只有日盲紫外探測研究，但直到今天，他也沒有忘記過對日盲紫外探測與成像技術(shù)的思考?！斑@是一項新技術(shù)，特別是我國才剛剛起步，有關(guān)紫外光電檢測方法的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)尚不健全，制約了它的發(fā)展。”他更希望的是，在國家已將該技術(shù)列入“十三五”重點研發(fā)計劃的今天，他和團隊在提升技術(shù)水平與推進尖端應(yīng)用上做出新一輪的突破。