突破光與電的冒險(xiǎn)之旅

在半導(dǎo)體光電器件這個(gè)大家族中，有許多的成員，它們有的能把電變成光，有的能把光變成電，還有的能對(duì)光和電的信號(hào)進(jìn)行各種處理和放大。半導(dǎo)體光電器件神奇的功能吸引著南京大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院的博士生導(dǎo)師王科，他多年來(lái)一直致力于從事半導(dǎo)體光電材料與器件的前沿研究，在寬禁帶氮化物半導(dǎo)體的材料外延生長(zhǎng)、物性分析、新型光電器件，尤其是氮化物外延生長(zhǎng)技術(shù)與應(yīng)用方面做了系列研究工作，取得了不錯(cuò)的成果。

發(fā)光二極管與半導(dǎo)體照明革命

世紀(jì)之交，恰逢氮化鎵藍(lán)光二極管有了重大突破，半導(dǎo)體照明革命恰逢其時(shí)，南京大學(xué)是國(guó)內(nèi)最早進(jìn)入相關(guān)領(lǐng)域的單位之一。在張榮教授講述的半導(dǎo)體物理課堂上，王科對(duì)氮化物半導(dǎo)體產(chǎn)生了濃厚興趣。2000年從南京大學(xué)本科畢業(yè)后，他進(jìn)入香港大學(xué)攻讀半導(dǎo)體物理學(xué)碩士學(xué)位，他的導(dǎo)師馮漢源是英國(guó)牛津大學(xué)有史以來(lái)第一位失明的物理學(xué)博士，他風(fēng)度儒雅、談吐大方，給王科留下了深刻的印象。馮教授的理論功底很強(qiáng)，還能在黑板上板書上課，有這樣讓人敬佩的老師，王科對(duì)研究更是不敢怠慢，為他日后的研究打下了扎實(shí)的基礎(chǔ)。

彼時(shí)雖然氮化鎵藍(lán)光二極管發(fā)展很快，但是更長(zhǎng)波長(zhǎng)的綠光-黃光-紅光二極管頗為滯后。馮教授介紹了另一種獲得三原色發(fā)光器件的思路：把稀土元素加入氮化鎵中就可以獲得各種顏色的發(fā)光。當(dāng)時(shí)，歐盟剛剛設(shè)立一個(gè)大型項(xiàng)目支持該項(xiàng)研究，于是王科決定前往牽頭該項(xiàng)目的英國(guó)斯特斯克萊德大學(xué)深造?！爱?dāng)時(shí)的想法其實(shí)很簡(jiǎn)單，就是覺得這項(xiàng)研究非常有趣，同時(shí)也能看看外面的世界?！辈┦科陂g，王科跟隨導(dǎo)師凱爾文·奧唐奈（Kelvin O’Donnell）和羅伯特·馬丁（Robert Martin）教授進(jìn)行了關(guān)于稀土元素?fù)诫s氮化鎵的研究?！跋⊥猎赜邪l(fā)紅光的、綠光的、藍(lán)光的，但是組合起來(lái)就變成了白光。我覺得這非常有意思?！蓖蹩瓢l(fā)現(xiàn)稀土元素?fù)诫s的半導(dǎo)體具有優(yōu)異的光學(xué)特性，在LED顯示、上轉(zhuǎn)換、下轉(zhuǎn)換等領(lǐng)域有很好的應(yīng)用價(jià)值。

博士畢業(yè)時(shí)，導(dǎo)師羅伯特·馬丁建議王科如果想在這個(gè)領(lǐng)域有更深的發(fā)展，日本是一個(gè)很好的選擇?！八艺f(shuō)，以氮化鎵、碳化硅為代表的第三代半導(dǎo)體，基本上都是日本團(tuán)隊(duì)率先取得突破性進(jìn)展。的確，日本是最近十多年半導(dǎo)體照明革命的發(fā)源地，其影響已經(jīng)滲入到人們的日常生活中?！眲偤卯?dāng)時(shí)課題組與日本立命館大學(xué)名西憓之教授有合作，做的是氮化物分子束外延生長(zhǎng)技術(shù)，這是非常前沿的半導(dǎo)體材料和精細(xì)結(jié)構(gòu)制備技術(shù)，王科覺得這是一個(gè)不錯(cuò)的機(jī)會(huì)。2008年的春天，他闊別待了4年之久的格拉斯哥，來(lái)到了日本立命館大學(xué)，開啟新的研究之路。

鉆研新技術(shù)

分子束外延技術(shù)（Molecular Beam Epitaxy，MBE）是一種在晶體基片上生長(zhǎng)高質(zhì)量的晶體薄膜的前沿技術(shù)，在半導(dǎo)體制造、光電子等方面得到了廣泛的應(yīng)用。“我們現(xiàn)在說(shuō)‘卡脖子’技術(shù)，分子束外延技術(shù)正是一個(gè)環(huán)節(jié)，也是對(duì)我們領(lǐng)域來(lái)說(shuō)很關(guān)鍵、很重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，所以一開始我就想認(rèn)認(rèn)真真把分子束外延技術(shù)學(xué)扎實(shí)?！毖芯糠肿邮庋蛹夹g(shù)不是一個(gè)簡(jiǎn)單的過程，它需要時(shí)間的積累，王科在立命館大學(xué)一待就是5年。

5年間，王科充分掌握了MBE的相關(guān)理論，積累了不少成果。2013年的秋天，王科前往千葉大學(xué)任職副教授。在千葉大學(xué)工作期間，王科印象最深的是吉川明彥老師的認(rèn)真與嚴(yán)謹(jǐn)。“吉川老師要求很嚴(yán)，只要定了計(jì)劃，一定要按計(jì)劃來(lái)推進(jìn)，想盡各種各樣的辦法，克服各種各樣的困難，一步一步推進(jìn)?！蓖蹩普f(shuō)從吉川老師身上感受到了日本人的工匠精神，科研工作中每一步的落實(shí)都極為重要，每一處細(xì)節(jié)都需要完善，才能有一個(gè)好的結(jié)果?！白钪匾氖牵ń淌诘姆较蚴呛臀移鹾系?，研究是連貫的，一直聚焦氮化物外延技術(shù)?！彼f(shuō)。

2016年，王科來(lái)到日本理化學(xué)研究所（RIKEN）任職。這是日本唯一的綜合性自然科學(xué)研究所，在物理學(xué)、工程學(xué)、化學(xué)、計(jì)算科學(xué)等領(lǐng)域開展了廣泛的研究。在RIKEN量子光器件研究室，王科負(fù)責(zé)氮化物分子束外延平臺(tái)，同時(shí)主持日本學(xué)術(shù)振興會(huì)（JSPS）基金項(xiàng)目“基于氮化鎵（GaN）超晶格的太赫茲量子級(jí)聯(lián)激光器（THz-QCL）”，并作為骨干參與了JSPS大型項(xiàng)目“基于氮化物半導(dǎo)體的未開發(fā)波長(zhǎng)太赫茲量子級(jí)聯(lián)激光器研究”，負(fù)責(zé)該項(xiàng)目理論設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)的具體實(shí)施。很快，王科和團(tuán)隊(duì)就制備出輸出功率超過1瓦的太赫茲量子級(jí)聯(lián)激光器，其功率密度可與世界紀(jì)錄相比擬。

在日本國(guó)立理化學(xué)研究所近3年時(shí)間里，王科收獲滿滿，但他也時(shí)刻關(guān)注著國(guó)內(nèi)半導(dǎo)體領(lǐng)域的發(fā)展。“最近這十多年國(guó)家發(fā)展很快，國(guó)內(nèi)科研環(huán)境大大提升，國(guó)家對(duì)第三代半導(dǎo)體支持力度很大，我覺得我應(yīng)該回去?！?/p>

冒險(xiǎn)之旅，創(chuàng)造新的第一

2019年王科回到了闊別已久的母?！暇┐髮W(xué)，擔(dān)任電子科學(xué)與工程學(xué)院教授和博士生導(dǎo)師，為我國(guó)第三代半導(dǎo)體事業(yè)的發(fā)展貢獻(xiàn)一份力量。

很快王科就獲得了國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目“氮化鎵系新型太赫茲量子級(jí)聯(lián)激光器研究”的支持。量子級(jí)聯(lián)激光器是一種新型半導(dǎo)體激光器，是半導(dǎo)體能帶工程的典范，在氣體檢測(cè)、空間通信、紅外對(duì)抗、太赫茲成像等方面得到了越來(lái)越多的應(yīng)用，但也面臨著許多的問題?！澳壳笆澜缟线€沒有基于氮化鎵材料的量子級(jí)聯(lián)激光器，世界范圍僅有極少數(shù)單位關(guān)注，我們國(guó)家基本沒有開展該方向的研究，可以說(shuō)這是一個(gè)‘無(wú)人區(qū)’。上千層原子級(jí)精確度外延結(jié)構(gòu)的制備是一項(xiàng)挑戰(zhàn)極大的任務(wù)，我已經(jīng)準(zhǔn)備好坐冷板凳?！辈痪煤笤撗芯揩@得科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃重點(diǎn)專項(xiàng)支持。在王科構(gòu)想的藍(lán)圖里，以氮化鎵系列材料開發(fā)新型太赫茲量子級(jí)聯(lián)激光器，是當(dāng)前國(guó)際上具有引領(lǐng)性的前沿領(lǐng)域，如果取得突破，就可以產(chǎn)出從無(wú)到有的原創(chuàng)性成果，這將是我國(guó)新的第一，冒險(xiǎn)是值得的。

面向產(chǎn)業(yè)難題

和戰(zhàn)略需求

氮化物半導(dǎo)體具備優(yōu)良的材料特性，除了在發(fā)光方面的產(chǎn)業(yè)應(yīng)用，在射頻微波電子、功率電子、光電探測(cè)等方面也有廣泛應(yīng)用。江蘇省在氮化物半導(dǎo)體領(lǐng)域有很堅(jiān)實(shí)的產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)，且大力支持產(chǎn)學(xué)研密切合作。王科回南京工作不久就獲得江蘇省產(chǎn)業(yè)前瞻與關(guān)鍵核心技術(shù)重點(diǎn)項(xiàng)目的支持，針對(duì)高質(zhì)量氮化鎵襯底材料的應(yīng)用開發(fā)，負(fù)責(zé)基于氮化鎵材料的器件應(yīng)用驗(yàn)證，主要面向國(guó)民經(jīng)濟(jì)主戰(zhàn)場(chǎng)與5家合作單位開展幾種核心光電子與電子器件關(guān)鍵技術(shù)研究。比如面向新型顯示產(chǎn)業(yè)的micro-LED、面向5G通信產(chǎn)業(yè)的射頻微波器件、面向電力電子產(chǎn)業(yè)的功率器件，還有面向戰(zhàn)略需求的尖端技術(shù)——氮化鎵雪崩光電探測(cè)器、激光二極管、深紫外發(fā)光器件及紫外單光子探測(cè)器。江蘇良好的產(chǎn)學(xué)研合作氛圍正有力地促進(jìn)科研工作落到實(shí)處，推動(dòng)相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。尤其是團(tuán)隊(duì)紫外單光子探測(cè)器的工作已獲得體現(xiàn)國(guó)家戰(zhàn)略的科技創(chuàng)新2030—重大項(xiàng)目的支持。王科說(shuō)：“能夠?yàn)槲覈?guó)科技發(fā)展的戰(zhàn)略需求貢獻(xiàn)一份力量，我感到非常榮幸?！?/p>

王科對(duì)于科研工作，有一種發(fā)自內(nèi)心的熱愛。在他看來(lái)，科研不僅需要嚴(yán)謹(jǐn)認(rèn)真的品格，而且需要勇于創(chuàng)新和鉆研深入的精神。作為一名教師，王科十分注重對(duì)學(xué)生的引導(dǎo)作用。在日常的科研教育中，他非常關(guān)心學(xué)生的想法，注重培養(yǎng)他們對(duì)產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢(shì)的了解，引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注科技前沿的進(jìn)展動(dòng)態(tài)，為將來(lái)選擇方向打下基礎(chǔ)。他的學(xué)生多次獲得國(guó)內(nèi)外頂級(jí)學(xué)術(shù)會(huì)議的獎(jiǎng)項(xiàng)，這是對(duì)他為教育付出的最大肯定。

站在前人的肩膀上，眺望遠(yuǎn)方，王科充滿了自信：“雖然目前面臨的問題很多，但我們不會(huì)氣餒，我們會(huì)一個(gè)問題一個(gè)問題地解決，一步一個(gè)腳印地朝著目標(biāo)前進(jìn)。”