新型半導體材料的破局與博弈
——記西安電子科技大學副教授寧靜

干思思

寧靜

落后就要挨打，這句話在任何年代，都是不爭的事實。

2020年，除了新冠肺炎的強勢入侵，華為還不得不承受美國的圍追堵截。這一年，華為的麒麟系列芯片因為無法制造，華為Mate40因此成為最后一代采用麒麟高端芯片的手機。除了斷供芯片，美國制裁的影響，還在不斷地擴大?！拔覀冋n題組打算在德國進口一臺很普通的測試設備，本來是一件很普通的事，但由于我們是做集成電路相關研究的，于是德國方面負責人就很敏感，不斷讓我們出具各項證明，保證研究內(nèi)容不會用于軍方，而這么大題小做的理由，他們坦承是——怕美國打壓?！泵绹撇弥袊娘L，到底是吹遍了集成電路和半導體領域的每一個角落。西安電子科技大學寧靜副教授平靜地說。

寧靜主要從事新型半導體材料、器件及電路的研制工作。2009年，她加入中國科學院院士、陜西省最高科學技術獎獲得者郝躍教授課題組，在寬帶隙半導體國家工程中心及陜西省石墨烯聯(lián)合實驗室支持下，與團隊共同推動新型半導體材料在國民經(jīng)濟和國防建設中的應用。雖然美國制裁阻礙了中國信息科技發(fā)展的進程，但在科學家們的努力下，即使科研過程中會遇到怪石嶙峋，但這股士氣終究不可抵擋。

“戰(zhàn)爭”起，唯有殺出重圍

2020年，隨著華為事件的不斷發(fā)酵，人們通過新聞大致了解了這項“卡脖子”技術，但說起這項技術，寧靜記得她高考填志愿的時候，家鄉(xiāng)的鄰居們并不知道什么是半導體研究。相對普通人的“后知后覺”，寧靜的選擇顯得前瞻性十足。

從進入微電子學和固體電子學專業(yè)開始，寧靜就踏入了半導體材料研究領域，隨著領域研究的不斷發(fā)展，她的研究方向和工作重點也在不斷進行著調(diào)整。因此，從寧靜的科研生涯中，可以窺得半導體材料的簡略發(fā)展史。

寧靜讀研時期，國家已經(jīng)意識到集成電路和半導體研究與國外存在一定的差距，但當時因為種種原因并沒有重視。也因此，寧靜毅然投身于新型半導體材料研究領域，她認為，越是落后的領域越需要人來建設灌溉。而到了她攻讀博士學位期間，石墨烯問世。郝躍院士意識到，這種材料可能是下一代芯片的理想之材。在他的建議下，寧靜前往美國從事石墨烯材料及器件的應用探索，成功躋身半導體領域研究的最前沿?；貒?，寧靜開展新型半導體材料研究，此時，國務院也將半導體產(chǎn)業(yè)納入國家發(fā)展戰(zhàn)略中，半導體研究曙光初現(xiàn)。然而沒過多久，中美發(fā)生貿(mào)易摩擦，美國瘋狂打壓中國，以半導體和集成電路為著力點，美國和其同盟國通過封堵技術、設備等手段，掣肘中國半導體和集成電路發(fā)展，使得中國半導體研究的處境舉步維艱。

“除了勝利，我們別無選擇！”面對美國打壓，任正非發(fā)出悲壯吶喊。這一聲吶喊，傳遍了半導體企業(yè)上下游，也重重地落在了寧靜的心頭。沒有一個冬天不會過去，沒有一個春天不會到來，中國的芯片不可能永遠被卡住脖子。在特殊時期，經(jīng)歷了一次被制裁的不堪后，寧靜的心底燃起強烈的欲望：在新型半導體材料研究領域，我們要達到世界領先！

目前，寧靜主要以新型半導體材料為研究對象。所謂新型半導體材料，就是包括以碳化硅、氮化鎵為主的第三代半導體材料和以石墨烯為主的一種新型二維半導體材料。在三代半導體材料中，第三代新型半導體材料被認為是擺脫集成電路被動局面，實現(xiàn)芯片技術追趕和超車的希望。所以為搶占新一輪半導體材料研究制高點，寧靜一刻也不敢停歇，不斷在自己的研究領域發(fā)光發(fā)熱，為研究的大步向前貢獻自己的力量。

從進入郝躍院士麾下開始，寧靜的研究思路就緊緊圍繞應用展開，她的大面積單晶石墨烯技術和石墨烯超級電容技術研究等已經(jīng)進行了科研轉化，目前以石墨烯為基礎的氮化鎵柔性LED研究，也正在做應用推廣。

寧靜介紹說，近年來，航空航天、新能源以及生物醫(yī)學等領域對于柔性化、多功能集成、高密度集成和器件微型化的需求日益增加。因此，發(fā)展柔性半導體異質(zhì)材料功能器件成為突破當前技術瓶頸的重要環(huán)節(jié)和關鍵方向，而柔性GaN的制備更是當今國際高度關注的研究熱點。但是，激光能量密度分布不均勻使得氮化鎵薄膜突起破裂，很難得到大面積連續(xù)無損的氮化鎵薄膜，這使得GaN的柔性器件發(fā)展受到嚴重阻礙。

團隊合影

在各顯神通的國際拉鋸戰(zhàn)中，寧靜及團隊大膽假設、小心求證，經(jīng)過反復試驗后，他們率先提出了短程堆垛層錯構造機理，找出了低缺陷柔性GaN外延材料的方法；另外，他們利用準范德華外延機制增強GaN成核過程中的橫向合并，成功降低了外延層中的位錯密度；此外，與激光剝離GaN相比，團隊剝離后的柔性GaN材料螺位錯密度保持在3.5×107cm-2，剝離面積高達到2英寸，表面粗糙度僅為0.176nm，降低了2個數(shù)量級，滿足了當前光電器件的需要，達到國際領先水平。

在“去美化”的國際形勢下，中國科研推進變得異常艱難，但越是孤立無援，越要浴血奮戰(zhàn)。在新型半導體材料比賽的第一回合中，寧靜及團隊以不服輸?shù)捻g性，領先制備出高質(zhì)量、無應力的柔性GaN外延層，成功實現(xiàn)了可剝離柔性GaN紫外LED在560mA的小電流下達到260.5mW光輸出功率，達到國際最高水平。

設備會有的，芯片會有的，一切都會有的。在政府、學校、企業(yè)的共同努力下，未來中國的半導體和集成電路必將走出一條不再受人掣肘的自力更生之路。寧靜暢想道。

沒有犧牲 何談未來

美國制裁華為公司，打壓中國的半導體和集成電路研究，說到底，無非是沖著5G技術去的。所以在外圍強烈的攻擊下，留給整個半導體和集成電路研究的時間并不長?！耙呀?jīng)到這個時間點了，所有事情必須快速解決?！鄙硖幇雽w發(fā)展洪流中，寧靜很早就感知到平靜湖面下的暗流涌動，所以她也很早就做了準備。

傳統(tǒng)半導體技術落后的原因有很多，人才流失是其中關鍵因素之一。任正非也曾公開發(fā)聲：“修橋、修路、修房子，已經(jīng)習慣了，只要砸錢就行了，這個芯片砸錢不行的，得砸數(shù)學家、物理學家、化學家，中國要踏踏實實在數(shù)學、物理、化學、神經(jīng)學、腦科學，各個方面努力地去改變，我們才可能在這個世界上站得起來。”寧靜對此觀點十分認同。所以，在人才儲備上，她格外上心。

在學生資質(zhì)選拔上，她尤其注重團隊合作能力。她解釋說，隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，想要成功完成一項工作，單靠一人之力可能無法實現(xiàn)。特別是在那些程序化、標準化極強的研究里，團隊合作很大程度上關系著科研的成敗。在這種情況下，學生的團隊合作能力非常重要。

在學生科研輔導上，為了創(chuàng)造溝通的氛圍、培養(yǎng)學生的表達能力、驅動學生自主學習，每周至少一次的組會寧靜從不缺席?！爸挥幸淮?，因為我當時在生孩子?！背四且恢苤袛嗤?，寧靜后來的組會再也沒有斷過，即使是躺在醫(yī)院休養(yǎng)，她也堅持跟學生開組會。

人才培養(yǎng)不能松懈，科研項目同樣要抓緊。寧靜笑著說：“集成電路和半導體領域企業(yè)最突出的特點是什么？是員工幾乎沒有休息時間，其實科研也是一樣，我們承擔著大大小小很多重要的科研項目，必須抓緊時間去做。”所以即使沒有遇到美國的制裁，在當今全球化的激烈競爭下，寧靜做科研也經(jīng)常是分秒必爭。

目前，“十四五”國家研發(fā)計劃已經(jīng)明確將第三代半導體列為重要發(fā)展方向，企業(yè)在集成電路和半導體技術領域也開始大規(guī)模投入。在一整條產(chǎn)業(yè)鏈的齊心合力之下，中國無論如何都不會再錯過新一列半導體列車。雖然，在集成電路和半導體技術領域，一項技術的突破可能需要10到20年，或者需要更長的時間，但寧靜做好了準備。