為半導(dǎo)體材料和器件的未來而戰(zhàn)
——記閩都創(chuàng)新實驗室和福州大學(xué)平板顯示實驗室教授孫捷

肖貞林

2005年與導(dǎo)師王占國院士（左一）在一起

2020年5月，美國再次發(fā)動了針對華為的芯片戰(zhàn)爭，繼2019年對華為實行出口管制之后進(jìn)一步限制其使用美國技術(shù)軟件設(shè)計和生產(chǎn)的半導(dǎo)體。而在2018年，美國商務(wù)部就曾對中興實施制裁令，禁止美國公司向中興通訊銷售零部件、商品和技術(shù)等。從中興到華為事件，中國在半導(dǎo)體方面被“卡脖子”的問題越來越突出?！霸诎雽?dǎo)體芯片領(lǐng)域，我國從裝備、材料到器件，以及集成系統(tǒng)，全部受到國外的限制。”孫捷頓足道。

事實上，自近期回國后，孫捷就一直致力于組建課題組開展半導(dǎo)體微型LED顯示及二維半導(dǎo)體材料和器件的研究。關(guān)于前者，他十分具有前瞻性地說：“未來的顯示技術(shù)很有可能就是第三代半導(dǎo)體集成顯示。”而關(guān)于后者，他則語重心長地說：“我們?nèi)缃竦陌雽?dǎo)體技術(shù)已經(jīng)不可否認(rèn)地落后于國外很多，但在下一代的半導(dǎo)體技術(shù)方面，我們與國外是站在同一起跑線上的，如果我們能夠率先實現(xiàn)突破，就能徹底擺脫被動局面?！?/p>

千淘萬漉雖辛苦

如今孫捷能在這種關(guān)鍵時刻帶領(lǐng)團(tuán)隊站在科技前沿，是因為在此之前他經(jīng)歷了20多年的磨煉與積累。

將時光倒回到15年前，那時的孫捷正在我國半導(dǎo)體材料學(xué)發(fā)源地，林蘭英院士親手創(chuàng)建的中國科學(xué)院半導(dǎo)體所半導(dǎo)體材料實驗室?guī)煆耐跽紘菏抗プx博士學(xué)位，有幸被王院士派往瑞典隆德大學(xué)繼續(xù)攻讀半導(dǎo)體器件方向的雙博士學(xué)位。在那里，他有機(jī)會接觸到之前在國內(nèi)很難親手操作的如電子束光刻等設(shè)備，通宵做實驗對他來說是家常便飯。有時候，實驗做到半夜，警報器突然響了起來，原來是做實驗的時候不小心碰到了窗戶的報警裝置?！皶r間長了，學(xué)校的保安都認(rèn)識我了?！睂O捷笑道。在4年的努力下，孫捷的科研能力得到了迅速提升，到了畢業(yè)答辯的時候，學(xué)校甚至請來了美國電子輸運領(lǐng)域的著名專家J.Bird教授做他的答辯對手。

獲得肯定的孫捷不甘心止步于此，博士畢業(yè)的他前往瑞典查爾姆斯理工大學(xué)微米技術(shù)與納米科學(xué)系量子器件物理實驗室從事博士后研究，有幸與諾貝爾物理委員會主席在同一實驗室工作，并在之后留在該實驗室從助理教授一路做到副教授（終身教職）。“在這期間，我除了繼續(xù)博士期間關(guān)于半導(dǎo)體材料與器件方面的研究外，還進(jìn)行了二維材料石墨烯的開發(fā)?！本驮诖蠹叶荚趶氖聦κ┍旧淼幕A(chǔ)研究時，孫捷結(jié)合自己的專業(yè)，通過化學(xué)氣相沉積研制石墨烯，并獨辟蹊徑，將其與第三代半導(dǎo)體氮化鎵結(jié)合，應(yīng)用于芯片領(lǐng)域?！拔抑攸c研究的是石墨烯薄膜的大規(guī)模制備，因為只有研發(fā)出薄膜才能使其與芯片材料兼容?！痹诋?dāng)時，孫捷是查爾姆斯理工大學(xué)有史以來首個進(jìn)行石墨烯在半導(dǎo)體應(yīng)用芯片方面研究的學(xué)者，也是世界上首個在氮化鎵上直接生長石墨烯的研究者。

作為一名具有極強(qiáng)前瞻性與開創(chuàng)能力的研究者，孫捷還在查爾姆斯理工大學(xué)開設(shè)了世界上首門關(guān)于石墨烯的慕課課程，并將其發(fā)布于美國EDX.org平臺。然而就在研究工作和教育課程進(jìn)行得如火如荼的時候，孫捷卻意識到一直以來人們對石墨烯的認(rèn)知有誤區(qū)，高估了它在芯片上的作用。“它實際上是導(dǎo)體，這就意味著它不能在芯片研制過程中發(fā)揮主要作用，而只能服務(wù)于半導(dǎo)體?！睘榱俗尪S材料在芯片研發(fā)中發(fā)揮核心作用，孫捷轉(zhuǎn)變方向，開始致力于用MOCVD技術(shù)生長新型的二維半導(dǎo)體材料。

吹盡狂沙始到金

中興事件發(fā)生不久，不管是國內(nèi)還是國際都將目光關(guān)注在我國的半導(dǎo)體技術(shù)及芯片研發(fā)領(lǐng)域。孫捷毅然決定離職回國，以國家級人才身份進(jìn)入福州大學(xué)物理與信息工程學(xué)院平板顯示國家地方聯(lián)合實驗室。彼時著名顯示專家——福州大學(xué)嚴(yán)群教授正致力于微型LED顯示領(lǐng)域的研究，希望在退休之前使氮化鎵微型LED顯示在我國率先實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。兩人一拍即合，共同加入新成立的中國福建光電信息科學(xué)與技術(shù)創(chuàng)新實驗室，也就是僅有的4個福建省實驗室之一——閩都創(chuàng)新實驗室，進(jìn)行氮化鎵微型LED顯示和通過MOCVD技術(shù)生長二維材料并應(yīng)用于半導(dǎo)體芯片兩方面的研究。

目前在氮化鎵微型LED顯示方向，孫捷及其研究團(tuán)隊已經(jīng)成功研制出了高分辨率的微型顯示器的樣機(jī)。“我們接下來的主要工作就是將二維半導(dǎo)體與通過氮化鎵研發(fā)的微顯示器結(jié)合，將顯示和驅(qū)動電路單片集成起來?！倍@方面需要他們首先用MOCVD技術(shù)將二維半導(dǎo)體生長好，然后才能將其用作微型LED顯示器電路的核心材料。

“但是在當(dāng)前的國際環(huán)境中，從國外購買二維材料MOCVD設(shè)備不可能實現(xiàn)?！睂O捷皺眉說道，“國外的生產(chǎn)廠家想賣，但外國政府卻下達(dá)了禁運令?！敝刂刈璧K的情況下，孫捷決定通過聯(lián)合國內(nèi)有能力的廠家，自主設(shè)計制造國產(chǎn)MOCVD設(shè)備來生長二維材料，推動大型半導(dǎo)體裝備的國產(chǎn)化。設(shè)備有了，“然而由于剛起步，目前國際上尚無現(xiàn)成的MOCVD二維材料的高晶格質(zhì)量可控生長方法。”因此解決二維材料生長的關(guān)鍵科學(xué)問題、突破核心技術(shù)成為了孫捷團(tuán)隊目前需要解決的問題。

在石墨烯應(yīng)用方面，孫捷承擔(dān)了國家級項目“GaN外延片直接CVD生長免轉(zhuǎn)移石墨烯及其在LED中的電極和散熱應(yīng)用”?！瓣P(guān)于石墨烯生長的實驗其實有其他研究者在做，但我們和他們有很大的區(qū)別?！睂O捷進(jìn)一步解釋，原來其他課題組研制的石墨烯是在其他襯底上生長的，然后再將其轉(zhuǎn)移到氮化鎵上?！稗D(zhuǎn)移技術(shù)和半導(dǎo)體平面工藝是不兼容的，因此轉(zhuǎn)移過程中石墨烯不可避免地會發(fā)生污染、褶皺、破損。”而孫捷團(tuán)隊研制的石墨烯則是直接在氮化鎵上生長的，這正是因為孫捷是世界上第一個研究石墨烯在氮化鎵晶圓上生長技術(shù)的人，掌握著核心技術(shù)讓他擁有了先發(fā)優(yōu)勢。

值得一提的是，幾年以前，孫捷還主持了一項關(guān)于石墨烯研制的光電器件在太赫茲領(lǐng)域應(yīng)用的基礎(chǔ)研究項目。在當(dāng)時，該項目得到了瑞典高等教育合作署的支持。在項目開展過程中，孫捷作為海外華僑，還出面牽頭促成了國內(nèi)高校校長和查爾姆斯理工大學(xué)校長的會見，并且瑞典高等教育國際合作署也專門派了官員來中國進(jìn)行合作訪問，極大地促進(jìn)了中瑞兩國的學(xué)術(shù)交流。

無論是如今的閩都創(chuàng)新實驗室，還是當(dāng)年的中瑞合作項目，孫捷的發(fā)心都是為了促進(jìn)我國科研的發(fā)展，如今回到國內(nèi)并任職于福州大學(xué)，他開始從更多角度關(guān)注我國科技的發(fā)展。

路漫漫其修遠(yuǎn)兮

孫捷在隆德大學(xué)

如今孫捷在福州大學(xué)擔(dān)任博士生導(dǎo)師，國內(nèi)外兩個階段的教學(xué)科研經(jīng)歷讓他能夠以橫向?qū)Ρ鹊姆绞接^察學(xué)生的學(xué)習(xí)風(fēng)格。他發(fā)現(xiàn)，在同等層次的學(xué)校中，國內(nèi)外學(xué)生的個人素質(zhì)和能力其實是差不多的，“他們的主要差距在思維方式和做事風(fēng)格上”。在國外授課的過程中，學(xué)生會在課堂上提出不同的看法，甚至和老師進(jìn)行辯論，而國內(nèi)的學(xué)生則更多地選擇接受老師的觀點?！捌鋵嵾€是應(yīng)該培養(yǎng)他們獨立思考的能力，在科研上，過分地尊重權(quán)威是很難有創(chuàng)新的?！睂O捷一語中的。

除此之外，孫捷還提出了關(guān)于科研管理的一些想法。他希望能夠在符合我國自身文化屬性的基礎(chǔ)上簡化大學(xué)行政管理的流程。其次，他認(rèn)為大學(xué)作為一個國家科研發(fā)展的重要部分，應(yīng)該配備具有足夠高學(xué)歷及水平的工程師團(tuán)隊。最后，他提出，高效的流程和優(yōu)秀的工程師團(tuán)隊，再加上課題組之間良好的合作關(guān)系，將會更好地推動我國科研領(lǐng)域的發(fā)展。

如今，孫捷依然記得自己本科即將畢業(yè)的那天下午，他跟隨大連理工大學(xué)的胡禮中教授通過傳統(tǒng)液相外延技術(shù)做第二代半導(dǎo)體砷化鎵的生長。按照以往的經(jīng)驗，襯底上將會出現(xiàn)平面結(jié)構(gòu)的單晶薄層，結(jié)果孫捷眼前卻生長出了島狀結(jié)構(gòu)的砷化鎵。那次意外的發(fā)現(xiàn)徹底引起了孫捷對半導(dǎo)體研究的興趣。但那時候的他或許不曾想到，自己將會用一生的時光進(jìn)行半導(dǎo)體領(lǐng)域的研究，并且在如今站上科技的前沿，為推動我國半導(dǎo)體芯片技術(shù)的進(jìn)步發(fā)光發(fā)熱。