穿越日盲區(qū)

王涵

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

要知道，除了強(qiáng)閃電之類的異?，F(xiàn)象，槍支開(kāi)火、炸藥爆炸、火災(zāi)和高壓輸電線漏電等都會(huì)產(chǎn)生日盲信號(hào)。而日盲紫外信號(hào)非肉眼所見(jiàn)，如何把這些隱匿在日盲區(qū)內(nèi)的危險(xiǎn)信號(hào)找出來(lái)？如何讓它們的“形象”顯示在人前？已經(jīng)是國(guó)際公認(rèn)的軍事制高點(diǎn)，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(shí)別跟蹤、艦載通訊等國(guó)防領(lǐng)域具有重大戰(zhàn)略意義，西方國(guó)家對(duì)我國(guó)實(shí)行嚴(yán)密核心技術(shù)封鎖。我們必須通過(guò)自主創(chuàng)新，開(kāi)辟新的技術(shù)路徑?！睆垬s說(shuō)。近日，他們團(tuán)隊(duì)的“先進(jìn)日盲紫外探測(cè)與應(yīng)用技術(shù)”剛剛被授予2016年度國(guó)家技術(shù)發(fā)明獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)。而他和項(xiàng)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?guó)防，這項(xiàng)技術(shù)在電網(wǎng)安全監(jiān)測(cè)、醫(yī)學(xué)成像、海上搜救、環(huán)境與生化檢測(cè)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(cè)潮流

高靈敏日盲紫外光子信號(hào)探測(cè)是世界性難題。但究竟為什么探測(cè)困難7通過(guò)張榮的科普，記者得知，日盲紫外光子目標(biāo)信號(hào)傳輸損耗大、帶外噪聲干擾強(qiáng)，需要探測(cè)系統(tǒng)具備在日盲紫外帶外全波段10抑制比。也就是說(shuō)，要在一千萬(wàn)億個(gè)波長(zhǎng)大于280納米的背景光子中探測(cè)到單個(gè)或者若干個(gè)日盲紫外光信號(hào)，無(wú)異于大海撈針。然而，就算日盲紫外探測(cè)與成像再困難，他們也希望有朝一日能夠做出應(yīng)用級(jí)的技術(shù)。這一點(diǎn)，從他們決定投身該項(xiàng)研究時(shí)就明確了。

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

據(jù)介紹，高AI組分的Ⅲ族氮化物半導(dǎo)體的外延生長(zhǎng)通常面臨著一些特殊的困難。究其原因，一是由于AI原子相對(duì)于Ga原子具有更大的粘滯系數(shù)，擴(kuò)散長(zhǎng)度小，難以形成二維生長(zhǎng)模式；二是AI原子與作為生長(zhǎng)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(wèn)題。與此對(duì)應(yīng)，在研究中就不得不面對(duì)AIGaN材料制備時(shí)存在的AI組分控制以及材料缺陷控制所帶來(lái)的挑戰(zhàn)。而隨著AI組分的增加，AIGaN材料Mg受主離化能偏高，研究者又必須解決另一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題——獲得高空穴濃度的p型AIGaN。

為此，團(tuán)隊(duì)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(shí)現(xiàn)了低缺陷密度和高空穴濃度的日盲波段AIGaN材料制備。與原有技術(shù)相比，他們的方法使得材料位錯(cuò)密度降低了1～2個(gè)量級(jí)，空穴濃度提高了1個(gè)量級(jí)，完全可以擔(dān)當(dāng)起高靈敏度日盲紫外探測(cè)器件研制的技術(shù)后盾。

高性能材料問(wèn)題解決了，接下來(lái)就該是如何提高先進(jìn)日盲紫外光電探測(cè)器件的靈敏度了。

一般來(lái)說(shuō)，Ⅲ族氮化物半導(dǎo)體具有強(qiáng)達(dá)MV/cm量級(jí)的壓電極化和自發(fā)極化效應(yīng).對(duì)器件的光電性質(zhì)有極其重要影響。張榮團(tuán)隊(duì)要設(shè)計(jì)氮化物器件，自然也不會(huì)放過(guò)這個(gè)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(shí)證明，他們創(chuàng)立的極化增強(qiáng)探測(cè)器設(shè)計(jì)理論的確是一個(gè)潛力股。在該研究中，他們碰撞出一個(gè)重要的靈感——通過(guò)p型層/倍增層異質(zhì)結(jié)將極化場(chǎng)引入雪崩光電探測(cè)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(gè)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AI組分AIGaN材料存在較高缺陷密度和較低p型摻雜效率，為實(shí)現(xiàn)高雪崩增益和低暗電流帶來(lái)巨大的挑戰(zhàn)。”項(xiàng)目組一致認(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(chǎng)和降低雪崩擊穿時(shí)的外加偏壓，也能夠降低雪崩擊穿時(shí)暗電流，實(shí)現(xiàn)極化增強(qiáng)日盲紫外APD。與無(wú)極化增強(qiáng)的傳統(tǒng)AIGaN雪崩光電探測(cè)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(guó)際公開(kāi)報(bào)道的最好值。

在他們看來(lái)，要實(shí)現(xiàn)真正的高靈敏度，探測(cè)器還需要其它有助于提高靈敏度的增強(qiáng)結(jié)構(gòu)。為此，他們對(duì)業(yè)內(nèi)一直沿用的雪崩結(jié)構(gòu)進(jìn)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(shí)降低了材料制備難度，增加了器件設(shè)計(jì)靈活性和工藝可重復(fù)性。他們還提出了AIGaN分布布喇格反饋結(jié)構(gòu)生長(zhǎng)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(qiáng)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(shí)現(xiàn)了具有高反射率的日盲紫外反射鏡。對(duì)張榮團(tuán)隊(duì)來(lái)說(shuō)，他們的作為無(wú)疑是為高靈敏紫外光電探測(cè)器開(kāi)拓了一個(gè)新的方向，成為潮流的引領(lǐng)者。

經(jīng)過(guò)層層鋪墊，張榮團(tuán)隊(duì)終于走到了實(shí)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(cè)器最大的缺陷在于帶內(nèi)靈敏度相對(duì)較低、帶外噪聲高，這直接導(dǎo)致日全盲級(jí)單光子靈敏度紫外定位成像技術(shù)前行無(wú)力。

“國(guó)際上只有以色列實(shí)現(xiàn)了日全盲級(jí)單光子靈敏度探測(cè)成像技術(shù)，但對(duì)我國(guó)實(shí)行技術(shù)禁運(yùn)?！睍r(shí)至如今，他們已經(jīng)可以輕描淡寫地來(lái)面對(duì)這個(gè)問(wèn)題。過(guò)去的十幾年中，張榮團(tuán)隊(duì)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(shí)現(xiàn)了國(guó)產(chǎn)化，打破禁運(yùn)，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)空白，使我國(guó)成為繼以色列之后世界上第二個(gè)掌握該尖端技術(shù)的國(guó)家。

基于該成像技術(shù)，他們開(kāi)發(fā)了具有國(guó)際領(lǐng)先水平的全天候電暈定位監(jiān)測(cè)與電網(wǎng)安全預(yù)警系統(tǒng)，可以檢測(cè)pc級(jí)（10庫(kù)倫）的放電信號(hào)：此外，他們還發(fā)明了分米級(jí)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(kāi)辟出日盲紫外精確導(dǎo)航這一新技術(shù)領(lǐng)域，被《科技日?qǐng)?bào)》評(píng)為2015年我國(guó)十大核心技術(shù)第一名。

打破禁運(yùn)，做好國(guó)產(chǎn)化應(yīng)用

在國(guó)家技術(shù)發(fā)明獎(jiǎng)申報(bào)書上，張榮團(tuán)隊(duì)明確列出了三大發(fā)明點(diǎn)，即前文所述高性能AIGaN日盲紫外探測(cè)材料制備技術(shù)、高靈敏度日盲紫外光電探測(cè)器件技術(shù)、高精準(zhǔn)度日盲紫外定位成像技術(shù)。

說(shuō)是三點(diǎn)，卻是他們用30件授權(quán)發(fā)明專利和2項(xiàng)軟件著作權(quán)串聯(lián)起來(lái)的一整套自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)鏈條。在此過(guò)程中，他們發(fā)表了SCI論文65篇，做國(guó)際邀請(qǐng)報(bào)告17次，產(chǎn)生了重要的國(guó)際影響。這一切，都是在為他們進(jìn)行成果轉(zhuǎn)化創(chuàng)造條件。

早在2010年，項(xiàng)目組研發(fā)的高靈敏紫外光電探測(cè)技術(shù)就在南京白云化工環(huán)境監(jiān)測(cè)有限公司進(jìn)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(yàn)收中，幾家企業(yè)均給出了“性能穩(wěn)定”“維護(hù)簡(jiǎn)單”“降低成本”等正面反饋，江蘇同庚在報(bào)告中更是表明，該技術(shù)“可完全取代進(jìn)口”。

“這些企業(yè)將高靈敏紫外探測(cè)器用于太陽(yáng)紫外線指數(shù)、火焰控制、紫外水凈化消毒監(jiān)測(cè)等多個(gè)領(lǐng)域。”團(tuán)隊(duì)成員介紹說(shuō)。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(guó)防紫外探測(cè)、電網(wǎng)安全監(jiān)測(cè)和港口船舶靠泊導(dǎo)航等領(lǐng)域。

2011年，中國(guó)電子科技集團(tuán)公司就在整機(jī)系統(tǒng)中做了大膽嘗試，至今已經(jīng)運(yùn)行了5年多。經(jīng)過(guò)量產(chǎn)實(shí)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(jìn)一步轉(zhuǎn)化，得以廣泛應(yīng)用，打破了國(guó)際上對(duì)我國(guó)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(cè)，就不得不提到紫外檢測(cè)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(cè)到電暈信號(hào)。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(cè)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(cè)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(guó)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(jìn)口產(chǎn)品占主導(dǎo)的國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上，日盲紫外電暈檢測(cè)儀以“成像效果良好，電暈型號(hào)成像清晰，便于攜帶，方便巡檢人員的檢修工作”等優(yōu)勢(shì).迅速立足，并掙得一席之地。到2015年.該產(chǎn)品在電力市場(chǎng)上的占有率已經(jīng)高達(dá)30%。

隨著這股勢(shì)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(cè)用紫外電暈監(jiān)測(cè)儀技術(shù)條件》和國(guó)網(wǎng)企標(biāo)《電力設(shè)備帶電檢測(cè)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(guó)內(nèi)紫外產(chǎn)品市場(chǎng)的有序發(fā)展做出了重要貢獻(xiàn)。

南大五維與項(xiàng)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(guò)這個(gè)“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(shí)現(xiàn)在任意復(fù)雜環(huán)境下高精度、實(shí)時(shí)定位導(dǎo)航。對(duì)近年來(lái)頻發(fā)的霧霾天氣來(lái)說(shuō)，這無(wú)疑是船舶安全入港靠泊的福音。

據(jù)介紹，傳統(tǒng)方式進(jìn)行定位導(dǎo)航的模式，在面對(duì)能見(jiàn)度低于1000米的霧霾情況時(shí)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(shí)計(jì)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(jìn)行了數(shù)十次港口靠泊試驗(yàn)，真正實(shí)現(xiàn)了全天候全時(shí)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(guó)創(chuàng)造，也是世界首創(chuàng)，他們的“杰作”將原來(lái)約15%船艦不能在霧天靠泊碼頭的變成了全天候運(yùn)轉(zhuǎn)。

這些只是“先進(jìn)日盲紫外探測(cè)與應(yīng)用技術(shù)”在推廣路上的一個(gè)個(gè)縮影。事實(shí)上，通過(guò)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(cè)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(jì)效益7318.72萬(wàn)元，間接經(jīng)濟(jì)效益超過(guò)6億元。與張榮團(tuán)隊(duì)合作的應(yīng)用單位，也都成為我國(guó)日盲紫外探測(cè)與成像產(chǎn)品的主要供應(yīng)商。在他們的努力下，國(guó)產(chǎn)日盲紫外探測(cè)與成像產(chǎn)品打了一場(chǎng)漂亮的翻身仗，“國(guó)際禁運(yùn)”終于成了一紙空談。

研路漫漫，唯熱愛(ài)與專注同行

當(dāng)張榮和團(tuán)隊(duì)緊鑼密鼓地忙于研發(fā)和轉(zhuǎn)化時(shí)，時(shí)間似乎總是不夠用。而當(dāng)他回首來(lái)時(shí)路，在項(xiàng)目書的起始時(shí)間一欄填寫上“1998年1月1日”時(shí)，才注意到，為了先進(jìn)日盲紫外探測(cè)與應(yīng)用技術(shù)系列，他已經(jīng)走過(guò)了19年光陰——從1998年年初開(kāi)始至今。

正是有了這十幾年的努力，他們的項(xiàng)目成果才得到了美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校、英國(guó)劍橋大學(xué)等一大批世界著名高校及科研院所的高度評(píng)價(jià)，就連德國(guó)AIXTRON公司、美國(guó)Vecco公司以及韓國(guó)三星等高科技企業(yè)也對(duì)之表示了濃厚的興趣。尤其是紫外探測(cè)器件好評(píng)如潮，Semiconductor Today兩次進(jìn)行專門評(píng)介，Compound Semiconductors更是直接表示AIGaN日盲紫外探測(cè)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(shí)，他們的眾多性能參數(shù)依然遙遙領(lǐng)先。

這條漫長(zhǎng)的攻關(guān)道路上，張榮團(tuán)隊(duì)的工作得到“973”計(jì)劃、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金重大/重點(diǎn)項(xiàng)目以及國(guó)防專項(xiàng)等數(shù)項(xiàng)支持。通過(guò)這一系列項(xiàng)目，他們培養(yǎng)出博士42名、碩士75名、工程師6人，高級(jí)工程師2人，為紫外探測(cè)、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(zhǎng)江學(xué)者獎(jiǎng)勵(lì)計(jì)劃特聘教授。

除了攻克先進(jìn)日盲紫外探測(cè)與應(yīng)用技術(shù)外，張榮還率領(lǐng)團(tuán)隊(duì)在我國(guó)首個(gè)固態(tài)照明領(lǐng)域國(guó)家“973”計(jì)劃的支持下，開(kāi)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(shí)，該項(xiàng)目部分成果被世界權(quán)威雜志評(píng)述為“提高LED發(fā)光效率的開(kāi)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(jìn)口的局面，提高了我國(guó)在半導(dǎo)體照明領(lǐng)域的國(guó)家競(jìng)爭(zhēng)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(duì)張榮來(lái)說(shuō)，他的科研生涯中不只有日盲紫外探測(cè)研究，但直到今天，他也沒(méi)有忘記過(guò)對(duì)日盲紫外探測(cè)與成像技術(shù)的思考?！斑@是一項(xiàng)新技術(shù)，特別是我國(guó)才剛剛起步，有關(guān)紫外光電檢測(cè)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(guó)家已將該技術(shù)列入“十三五”重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃的今天，他和團(tuán)隊(duì)在提升技術(shù)水平與推進(jìn)尖端應(yīng)用上做出新一輪的突破。