宋波：奮戰(zhàn)在寬禁帶半導(dǎo)體新時代

高妍+鄭聲宇

它被稱為固態(tài)光源、電力電子、微波射頻器件的“核芯”。

它具有高擊穿電場、高飽和電子速度、高熱導(dǎo)率、高電子密度、高遷移率等特點，可實現(xiàn)高壓、高溫、高頻、高抗輻射等能力。

它的應(yīng)用范圍覆蓋半導(dǎo)體照明、新一代移動通信、智能電網(wǎng)、高速軌道交通、新能源汽車、消費類電子等朝陽領(lǐng)域。

它被視為未來支撐信息、能源、交通、國防等產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重點新材料，將引領(lǐng)光電產(chǎn)業(yè)的新一輪革命。

它就是以碳化硅（SiC）、氮化鋁（AlN）、氮化鎵（GaN）等為代表的第三代半導(dǎo)體材料，如今世界各國爭相布局的戰(zhàn)略高地。

在世界范圍內(nèi)，第三代半導(dǎo)體材料在各個領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)成熟度各有不同，在某些前沿研究方向，仍處于實驗室研發(fā)階段。盡管我國起步較晚，發(fā)展較緩，無論基礎(chǔ)研究還是產(chǎn)業(yè)化推進都仍有很長的路要走，但這并未影響該領(lǐng)域內(nèi)科研人員潛心攻關(guān)、奮起直追的決心。

哈爾濱工業(yè)大學(xué)基礎(chǔ)與交叉科學(xué)研究院宋波教授，就是奮戰(zhàn)在我國第三代半導(dǎo)體材料研究最前沿的優(yōu)秀科研人員之一。

他長期從事第三代寬禁帶半導(dǎo)體材料的生長與物性研究，凝練了氣相質(zhì)量輸運動態(tài)平衡控制及溫場調(diào)控等關(guān)鍵科學(xué)問題，對碳化硅、氮化鋁等光電功能晶體生長過程的動力學(xué)優(yōu)化、關(guān)鍵工藝參數(shù)控制與物理性質(zhì)調(diào)控等相互關(guān)聯(lián)的科學(xué)問題開展了系統(tǒng)研究，成果頗豐。

雛鳳新聲，結(jié)緣寬禁帶半導(dǎo)體

一代材料，一代器件，一場革命。材料的重要性，在半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)已經(jīng)得到印證。

以硅（Si）為代表的第一代半導(dǎo)體材料，引發(fā)了電子工業(yè)大革命；以砷化鎵（GaAs）為代表的第二代半導(dǎo)體材料，則拓展了半導(dǎo)體在高頻、光電子等方面的應(yīng)用，使人類進入光纖通信、移動通信的新時代。而如今，正是第三代半導(dǎo)體材料“大展身手”的時代。

第三代半導(dǎo)體材料又叫寬禁帶半導(dǎo)體，是指禁帶寬度大于2 eV（電子伏特）的一類半導(dǎo)體，以碳化硅、氮化鋁、氮化鎵、立方氮化硼（C-BN）等為主要代表。它們所表現(xiàn)出的高溫下的穩(wěn)定性、高效的光電轉(zhuǎn)化能力、更低的能量損耗等絕對優(yōu)勢，吸引了業(yè)界的普遍關(guān)注，有望全面取代傳統(tǒng)半導(dǎo)體材料，開啟半導(dǎo)體新時代。

宋波進入這一領(lǐng)域是在博士階段。那是2005年前后，他正就讀于中國科學(xué)院物理研究所，師從我國著名晶體結(jié)構(gòu)專家陳小龍研究員開展研究。當時國內(nèi)寬禁帶半導(dǎo)體研究起步不久，各項研究都非常薄弱。

2008年，宋波回到家鄉(xiāng)哈爾濱，并在哈爾濱工業(yè)大學(xué)韓杰才院士引薦下加入該?；A(chǔ)與交叉科學(xué)研究院。在這里，宋波確立了寬禁帶半導(dǎo)體生長與物性研究這一研究方向，立志從基礎(chǔ)研究領(lǐng)域著手，改善我國關(guān)鍵性、基礎(chǔ)性戰(zhàn)略材料依賴進口的局面，促進寬禁帶半導(dǎo)體材料和器件產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，提升產(chǎn)業(yè)核心競爭力，縮小與西方國家的差距。

在近十年的研究過程中，宋波作為課題負責(zé)人承擔了包括國家自然科學(xué)基金項目、總裝“十二五”預(yù)先研究重點項目、科技部國際科技合作項目等在內(nèi)的20多項科研項目，在J. Am. Chem. Soc.， Nano Lett.， Phys. Rev. Lett.， Adv. Funct. Mater.， Phys. Rev. B等國際著名SCI學(xué)術(shù)雜志上發(fā)表論文100余篇，論文被正面他引1000余次；獲得授權(quán)發(fā)明專利13項。特別是在SiC基稀磁半導(dǎo)體和AIN基晶體生長研究方向，取得了一系列創(chuàng)新性成果，引領(lǐng)了國內(nèi)外相關(guān)研究的進步，在行業(yè)內(nèi)形成了一定的影響力。

層層深入，攻關(guān)SiC基稀磁半導(dǎo)體

稀磁半導(dǎo)體是自旋電子學(xué)的材料基礎(chǔ)，能夠同時利用電子的電荷屬性和自旋屬性，兼具半導(dǎo)體和磁性的性質(zhì)，新穎而獨特，是第三代半導(dǎo)體材料的熱點研究之一。

現(xiàn)階段，GaAs、GaN和ZnO基稀磁半導(dǎo)體的研究已經(jīng)取得了突破性進展，但仍無法滿足人們對自旋器件高溫、高頻、大功率和抗輻射等性能的要求，SiC基的出現(xiàn)恰逢其時。宋波在這一前沿方向進行了廣泛而深入的研究，并取得了系列研究進展。

他提出了非磁性元素Al摻雜制備SiC基稀磁半導(dǎo)體，在200 K觀察到了玻璃態(tài)的鐵磁有序，同時實現(xiàn)了4H-SiC晶型的穩(wěn)定可控。首次提出了非磁性元素摻雜AlN基稀磁半導(dǎo)體的研究思路，有效地避免磁性雜質(zhì)的引入，為探討稀磁半導(dǎo)體的磁性來源提供了理想的實驗體系。

論文在2009年發(fā)表后，至今已被他引50余次，得到不少業(yè)內(nèi)專業(yè)人士的直接認可，認為其啟迪了思考。中國科學(xué)院外籍院士C.N.R. Rao教授就曾在論文中直言：宋等的工作顯示了鐵磁性不是來自磁性雜質(zhì)而是來自于sp3雜化向sp3-sp2混合雜化轉(zhuǎn)變的過程中所導(dǎo)致。

隨著研究的不斷深入，宋波的研究也漸入佳境——

同樣在2009年，他利用在h-BN中的實驗結(jié)果證實了美國布法羅州立大學(xué)Peihong Zhang教授等人的理論預(yù)言，即在帶隙寬度達5.5 eV的h-BN中存在缺陷直接誘導(dǎo)的內(nèi)稟磁性。這一成果獲得了包括波蘭科學(xué)院物理研究院O. Volnianska教授在內(nèi)的業(yè)界專家的正面引用和廣泛認可。

2010年，他提出了雙元素（Al，TM）復(fù)合摻雜SiC基稀磁半導(dǎo)體的研究思路。在Al摻雜穩(wěn)定4H-SiC晶型的基礎(chǔ)之上，同時摻雜磁性過渡金屬元素，來獲得高Tc、高矯頑力和高剩磁的稀磁半導(dǎo)體。

2011年，他提出了采用缺陷工程調(diào)控半導(dǎo)體磁性的新方向。與合作者一起采用中子輻照在碳化硅晶體中誘導(dǎo)出了以硅-碳雙空位為主的缺陷，在實驗上給出了硅-碳雙空位導(dǎo)致鐵磁性的證據(jù)，并從理論上揭示了雙空位產(chǎn)生磁性的物理機制，證實了磁性元素并非半導(dǎo)體磁性的唯一來源，為深入探究寬禁帶半導(dǎo)體的磁性起源提供了新的科學(xué)認識。在此之后，國內(nèi)外有超過18個研究小組開展了缺陷誘導(dǎo)半導(dǎo)體磁性的研究工作，并在相關(guān)論文中引用了他們的成果，將其列為缺陷導(dǎo)致磁性的典型例子。

把握前沿，初探AIN晶體生長

AlN基的高溫、高頻、高功率微波器件是雷達、通信等現(xiàn)代化軍事和航天裝備等領(lǐng)域急需的電子器件。

宋波介紹，與其它的半導(dǎo)體材料相比，AlN基低維材料的形貌較為單一，這導(dǎo)致對其新性質(zhì)和新應(yīng)用的探索受到了較大的制約。

因此，深入開展生長動力學(xué)研究，探究生長過程中質(zhì)量輸運-溫場分布-成核動力學(xué)的內(nèi)在關(guān)聯(lián)，從微觀機理上闡述物性變化的原因，探索新奇物理效應(yīng)，成為制約寬禁帶半導(dǎo)體發(fā)展的關(guān)鍵科學(xué)問題，同時也是一項亟待開展的基礎(chǔ)性研究工作。

在這一研究方向，宋波同樣取得了不俗的成績——

（一）在AlN機理生長方面，首次發(fā)現(xiàn)本征的六重螺旋生長機制。

他獲得了單晶AlN納米和微米彈簧、AlN螺旋結(jié)構(gòu)、AlN平面六邊形環(huán)等新穎納米結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)性研究首次發(fā)現(xiàn)AlN納米/微米結(jié)構(gòu)和AlN單晶都遵循六重對稱的旋轉(zhuǎn)生長機制。

這一發(fā)現(xiàn)極大地豐富了人們對于AlN晶生長機理的認識，對調(diào)控AlN生長形貌，獲得大尺寸、低缺陷密度的AlN晶體具有重要參考價值。

（二）在AlN新物理性質(zhì)探索方面，他首次在AlN微米螺旋結(jié)構(gòu)中發(fā)現(xiàn)了時間長達300秒的長余輝效應(yīng)。

研究中，他分別從理論和實驗上對AlN螺旋結(jié)構(gòu)中氮空位和鋁間隙耦合效應(yīng)進行了研究。首次發(fā)現(xiàn)氮空位和鋁間隙的共同作用會誘導(dǎo)出新的能級，進而導(dǎo)致長余輝效應(yīng)的顯現(xiàn)。這一發(fā)現(xiàn)，豐富了人們對于AlN基本物理性質(zhì)的認識，為設(shè)計和制造新型AlN基光電子器件提供理論指導(dǎo)。

在AlN納米線螺旋結(jié)構(gòu)的力學(xué)測試中首次發(fā)現(xiàn)了AlN單晶螺旋中存在彈性形變。該發(fā)現(xiàn)為制備AlN基納米器件提供了進一步的認識。

（三）在AlN晶體生長方面，突破了多項關(guān)鍵技術(shù)，包括形核溫度控制技術(shù)、晶粒長大過程控制技術(shù)、形核控制技術(shù)等。

研究中，宋波掌握了包括電阻率及均勻性控制技術(shù)、多型缺陷濃度控制技術(shù)以及晶體質(zhì)量穩(wěn)定性控制技術(shù)等在內(nèi)的多項關(guān)鍵技術(shù)，獲得了高質(zhì)量的晶體材料。

他所獲得的直徑達35mm的雙面拋光片，位錯密度小于107個/cm2，申報了國家發(fā)明專利7項，研究水平居于國內(nèi)領(lǐng)先地位。

他重新設(shè)計和研制了全鎢的晶體生長爐、AlN原料原位補充系統(tǒng)和垂直梯度坩堝。試驗結(jié)果表明，采用新的生長組合系統(tǒng)大大提高了AlN的晶體質(zhì)量，其中AlN晶體的主要缺陷密度，特別是O（氧）含量降低了約3個數(shù)量級，電阻率提高了約2個數(shù)量級，為進一步獲得高質(zhì)量的AlN晶體提供了技術(shù)支撐。

多年來，宋波非常在意與國際學(xué)者的交流與合作，不僅承擔了科技部國際科技合作項目，還在多年的研究中與美國威斯康星大學(xué)麥迪遜分校Song Jin教授、西班牙科爾多瓦大學(xué)Rafael Luque教授建立了廣泛的合作關(guān)系。特別值得一提的，是在對俄對烏合作方面，宋波與俄羅斯科學(xué)院固體物理研究所國際知名晶體學(xué)家Vladimir Kurlov教授、國際SiC晶體生長專家Yuri Makarov教授，以及俄羅斯科學(xué)院西伯利亞分院半導(dǎo)體研究所的Oleg Pchelyakov教授、Valerii Preobrazhenskii教授建立了密切的合作關(guān)系，曾多次出訪俄羅斯與烏克蘭相關(guān)科研機構(gòu)，為推動雙方的科技交流合作作出了重要貢獻。

因表現(xiàn)突出，宋波獲得了2009年黑龍江省自然科學(xué)一等獎、2009年黑龍江省高校自然科學(xué)一等獎等榮譽；得到了教育部“新世紀優(yōu)秀人才”計劃、哈爾濱工業(yè)大學(xué)“基礎(chǔ)研究杰出人才培育計劃（III類）”和“青年拔尖人才選聘計劃（教授類）”的支持；并在三年內(nèi)連續(xù)兩次獲得副教授和教授的破格提升。2016年，宋波被評為哈爾濱工業(yè)大學(xué)“先進個人”。

最近，宋波又收獲一個好消息。在今年，他將作為訪問學(xué)者由國家公派赴美國威斯康星大學(xué)麥迪遜分校進行為期一年的學(xué)習(xí)、研究。

宋波相信，那是一個更廣闊的天地，那里更接近世界先進水平，他能汲取更多、收獲更多。在宋波看來，理想很近，未來不遠。