新型半導(dǎo)體材料的破局與博弈

干思思

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。“我們課題組打算在德國進口一臺很普通的測試設(shè)備，本來是一件很普通的事，但由于我們是做集成電路相關(guān)研究的，于是德國方面負責(zé)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(fēng)，到底是吹遍了集成電路和半導(dǎo)體領(lǐng)域的每一個角落。西安電子科技大學(xué)寧靜副教授平靜地說。

寧靜主要從事新型半導(dǎo)體材料、器件及電路的研制工作。2009年，她加入中國科學(xué)院院士、陜西省最高科學(xué)技術(shù)獎獲得者郝躍教授課題組，在寬帶隙半導(dǎo)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(dǎo)體材料在國民經(jīng)濟和國防建設(shè)中的應(yīng)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(xué)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(shù)，但說起這項技術(shù)，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(dǎo)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(xué)和固體電子學(xué)專業(yè)開始，寧靜就踏入了半導(dǎo)體材料研究領(lǐng)域，隨著領(lǐng)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(dǎo)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(dǎo)體研究與國外存在一定的差距，但當(dāng)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(dǎo)體材料研究領(lǐng)域，她認為，越是落后的領(lǐng)域越需要人來建設(shè)灌溉。而到了她攻讀博士學(xué)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(yīng)用探索，成功躋身半導(dǎo)體領(lǐng)域研究的最前沿?；貒螅瑢庫o開展新型半導(dǎo)體材料研究，此時，國務(wù)院也將半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)納入國家發(fā)展戰(zhàn)略中，半導(dǎo)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(dǎo)體和集成電路為著力點，美國和其同盟國通過封堵技術(shù)、設(shè)備等手段，掣肘中國半導(dǎo)體和集成電路發(fā)展，使得中國半導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)體材料研究領(lǐng)域，我們要達到世界領(lǐng)先！

目前，寧靜主要以新型半導(dǎo)體材料為研究對象。所謂新型半導(dǎo)體材料，就是包括以碳化硅、氮化鎵為主的第三代半導(dǎo)體材料和以石墨烯為主的一種新型二維半導(dǎo)體材料。在三代半導(dǎo)體材料中，第三代新型半導(dǎo)體材料被認為是擺脫集成電路被動局面，實現(xiàn)芯片技術(shù)追趕和超車的希望。所以為搶占新一輪半導(dǎo)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(lǐng)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(yīng)用展開，她的大面積單晶石墨烯技術(shù)和石墨烯超級電容技術(shù)研究等已經(jīng)進行了科研轉(zhuǎn)化，目前以石墨烯為基礎(chǔ)的氮化鎵柔性LED研究，也正在做應(yīng)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(xué)等領(lǐng)域?qū)τ谌嵝曰⒍喙δ芗?、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(dǎo)體異質(zhì)材料功能器件成為突破當(dāng)前技術(shù)瓶頸的重要環(huán)節(jié)和關(guān)鍵方向，而柔性GaN的制備更是當(dāng)今國際高度關(guān)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。

在各顯神通的國際拉鋸戰(zhàn)中，寧靜及團隊大膽假設(shè)、小心求證，經(jīng)過反復(fù)試驗后，他們率先提出了短程堆垛層錯構(gòu)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(dāng)前光電器件的需要，達到國際領(lǐng)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(dǎo)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(lǐng)先制備出高質(zhì)量、無應(yīng)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(shè)備會有的，芯片會有的，一切都會有的。在政府、學(xué)校、企業(yè)的共同努力下，未來中國的半導(dǎo)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(dǎo)體和集成電路研究，說到底，無非是沖著5G技術(shù)去的。所以在外圍強烈的攻擊下，留給整個半導(dǎo)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。”身處半導(dǎo)體發(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(dǎo)體技術(shù)落后的原因有很多，人才流失是其中關(guān)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(xí)慣了，只要砸錢就行了，這個芯片砸錢不行的，得砸數(shù)學(xué)家、物理學(xué)家、化學(xué)家，中國要踏踏實實在數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)、神經(jīng)學(xué)、腦科學(xué)，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?！睂庫o對此觀點十分認同。所以，在人才儲備上，她格外上心。

在學(xué)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(guān)系著科研的成敗。在這種情況下，學(xué)生的團隊合作能力非常重要。

在學(xué)生科研輔導(dǎo)上，為了創(chuàng)造溝通的氛圍、培養(yǎng)學(xué)生的表達能力、驅(qū)動學(xué)生自主學(xué)習(xí)，每周至少一次的組會寧靜從不缺席。“只有一次，因為我當(dāng)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(xué)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(dǎo)體領(lǐng)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(dān)著大大小小很多重要的科研項目，必須抓緊時間去做?！彼约词箾]有遇到美國的制裁，在當(dāng)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(dǎo)體列為重要發(fā)展方向，企業(yè)在集成電路和半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)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(dǎo)體列車。雖然，在集成電路和半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域，一項技術(shù)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。