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(zhēng)的事實(shí)。

2020年，除了新冠肺炎的強(qiáng)勢(shì)入侵，華為還不得不承受美國(guó)的圍追堵截。這一年，華為的麒麟系列芯片因?yàn)闊o(wú)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(jī)。除了斷供芯片，美國(guó)制裁的影響，還在不斷地?cái)U(kuò)大。“我們課題組打算在德國(guó)進(jìn)口一臺(tái)很普通的測(cè)試設(shè)備，本來(lái)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(guó)方面負(fù)責(zé)人就很敏感，不斷讓我們出具各項(xiàng)證明，保證研究?jī)?nèi)容不會(huì)用于軍方，而這么大題小做的理由，他們坦承是——怕美國(guó)打壓。”美國(guó)制裁中國(guó)的風(fēng)，到底是吹遍了集成電路和半導(dǎo)體領(lǐng)域的每一個(gè)角落。西安電子科技大學(xué)寧?kù)o副教授平靜地說(shuō)。

寧?kù)o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(guó)科學(xué)院院士、陜西省最高科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)獲得者郝躍教授課題組，在寬帶隙半導(dǎo)體國(guó)家工程中心及陜西省石墨烯聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室支持下，與團(tuán)隊(duì)共同推動(dòng)新型半導(dǎo)體材料在國(guó)民經(jīng)濟(jì)和國(guó)防建設(shè)中的應(yīng)用。雖然美國(guó)制裁阻礙了中國(guó)信息科技發(fā)展的進(jìn)程，但在科學(xué)家們的努力下，即使科研過(guò)程中會(huì)遇到怪石嶙峋，但這股士氣終究不可抵擋。

“戰(zhàn)爭(zhēng)”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(guò)新聞大致了解了這項(xiàng)“卡脖子”技術(shù)，但說(shuō)起這項(xiàng)技術(shù)，寧?kù)o記得她高考填志愿的時(shí)候，家鄉(xiāng)的鄰居們并不知道什么是半導(dǎo)體研究。相對(duì)普通人的“后知后覺(jué)”，寧?kù)o的選擇顯得前瞻性十足。

從進(jìn)入微電子學(xué)和固體電子學(xué)專業(yè)開(kāi)始，寧?kù)o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(diǎn)也在不斷進(jìn)行著調(diào)整。因此，從寧?kù)o的科研生涯中，可以窺得半導(dǎo)體材料的簡(jiǎn)略發(fā)展史。

寧?kù)o讀研時(shí)期，國(guó)家已經(jīng)意識(shí)到集成電路和半導(dǎo)體研究與國(guó)外存在一定的差距，但當(dāng)時(shí)因?yàn)榉N種原因并沒(méi)有重視。也因此，寧?kù)o毅然投身于新型半導(dǎo)體材料研究領(lǐng)域，她認(rèn)為，越是落后的領(lǐng)域越需要人來(lái)建設(shè)灌溉。而到了她攻讀博士學(xué)位期間，石墨烯問(wèn)世。郝躍院士意識(shí)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?kù)o前往美國(guó)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。回國(guó)后，寧?kù)o開(kāi)展新型半導(dǎo)體材料研究，此時(shí)，國(guó)務(wù)院也將半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)納入國(guó)家發(fā)展戰(zhàn)略中，半導(dǎo)體研究曙光初現(xiàn)。然而沒(méi)過(guò)多久，中美發(fā)生貿(mào)易摩擦，美國(guó)瘋狂打壓中國(guó)，以半導(dǎo)體和集成電路為著力點(diǎn)，美國(guó)和其同盟國(guó)通過(guò)封堵技術(shù)、設(shè)備等手段，掣肘中國(guó)半導(dǎo)體和集成電路發(fā)展，使得中國(guó)半導(dǎo)體研究的處境舉步維艱。

“除了勝利，我們別無(wú)選擇！”面對(duì)美國(guó)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?kù)o的心頭。沒(méi)有一個(gè)冬天不會(huì)過(guò)去，沒(méi)有一個(gè)春天不會(huì)到來(lái)，中國(guó)的芯片不可能永遠(yuǎn)被卡住脖子。在特殊時(shí)期，經(jīng)歷了一次被制裁的不堪后，寧?kù)o的心底燃起強(qiáng)烈的欲望：在新型半導(dǎo)體材料研究領(lǐng)域，我們要達(dá)到世界領(lǐng)先！

目前，寧?kù)o主要以新型半導(dǎo)體材料為研究對(duì)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(rèn)為是擺脫集成電路被動(dòng)局面，實(shí)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(diǎn)，寧?kù)o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(xiàn)自己的力量。

從進(jìn)入郝躍院士麾下開(kāi)始，寧?kù)o的研究思路就緊緊圍繞應(yīng)用展開(kāi)，她的大面積單晶石墨烯技術(shù)和石墨烯超級(jí)電容技術(shù)研究等已經(jīng)進(jìn)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?kù)o介紹說(shuō)，近年來(lái)，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伞⒏呙芏燃珊推骷⑿突男枨笕找嬖黾印Ｒ虼耍l(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(guó)際高度關(guān)注的研究熱點(diǎn)。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(wú)損的氮化鎵薄膜，這使得GaN的柔性器件發(fā)展受到嚴(yán)重阻礙。

在各顯神通的國(guó)際拉鋸戰(zhàn)中，寧?kù)o及團(tuán)隊(duì)大膽假設(shè)、小心求證，經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn)后，他們率先提出了短程堆垛層錯(cuò)構(gòu)造機(jī)理，找出了低缺陷柔性GaN外延材料的方法；另外，他們利用準(zhǔn)范德華外延機(jī)制增強(qiáng)GaN成核過(guò)程中的橫向合并，成功降低了外延層中的位錯(cuò)密度；此外，與激光剝離GaN相比，團(tuán)隊(duì)剝離后的柔性GaN材料螺位錯(cuò)密度保持在3.5×107cm-2，剝離面積高達(dá)到2英寸，表面粗糙度僅為0.176nm，降低了2個(gè)數(shù)量級(jí)，滿足了當(dāng)前光電器件的需要，達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平。

在“去美化”的國(guó)際形勢(shì)下，中國(guó)科研推進(jìn)變得異常艱難，但越是孤立無(wú)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?kù)o及團(tuán)隊(duì)以不服輸?shù)捻g性，領(lǐng)先制備出高質(zhì)量、無(wú)應(yīng)力的柔性GaN外延層，成功實(shí)現(xiàn)了可剝離柔性GaN紫外LED在560mA的小電流下達(dá)到260.5mW光輸出功率，達(dá)到國(guó)際最高水平。

設(shè)備會(huì)有的，芯片會(huì)有的，一切都會(huì)有的。在政府、學(xué)校、企業(yè)的共同努力下，未來(lái)中國(guó)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?kù)o暢想道。

沒(méi)有犧牲 何談未來(lái)

美國(guó)制裁華為公司，打壓中國(guó)的半導(dǎo)體和集成電路研究，說(shuō)到底，無(wú)非是沖著5G技術(shù)去的。所以在外圍強(qiáng)烈的攻擊下，留給整個(gè)半導(dǎo)體和集成電路研究的時(shí)間并不長(zhǎng)。“已經(jīng)到這個(gè)時(shí)間點(diǎn)了，所有事情必須快速解決。”身處半導(dǎo)體發(fā)展洪流中，寧?kù)o很早就感知到平靜湖面下的暗流涌動(dòng)，所以她也很早就做了準(zhǔn)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(kāi)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(gè)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(guó)要踏踏實(shí)實(shí)在數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)、神經(jīng)學(xué)、腦科學(xué)，各個(gè)方面努力地去改變，我們才可能在這個(gè)世界上站得起來(lái)。”寧?kù)o對(duì)此觀點(diǎn)十分認(rèn)同。所以，在人才儲(chǔ)備上，她格外上心。

在學(xué)生資質(zhì)選拔上，她尤其注重團(tuán)隊(duì)合作能力。她解釋說(shuō)，隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，想要成功完成一項(xiàng)工作，單靠一人之力可能無(wú)法實(shí)現(xiàn)。特別是在那些程序化、標(biāo)準(zhǔn)化極強(qiáng)的研究里，團(tuán)隊(duì)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(tuán)隊(duì)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(dá)能力、驅(qū)動(dòng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)，每周至少一次的組會(huì)寧?kù)o從不缺席。“只有一次，因?yàn)槲耶?dāng)時(shí)在生孩子。”除了那一周中斷外，寧?kù)o后來(lái)的組會(huì)再也沒(méi)有斷過(guò)，即使是躺在醫(yī)院休養(yǎng)，她也堅(jiān)持跟學(xué)生開(kāi)組會(huì)。

人才培養(yǎng)不能松懈，科研項(xiàng)目同樣要抓緊。寧?kù)o笑著說(shuō)：“集成電路和半導(dǎo)體領(lǐng)域企業(yè)最突出的特點(diǎn)是什么？是員工幾乎沒(méi)有休息時(shí)間，其實(shí)科研也是一樣，我們承擔(dān)著大大小小很多重要的科研項(xiàng)目，必須抓緊時(shí)間去做。”所以即使沒(méi)有遇到美國(guó)的制裁，在當(dāng)今全球化的激烈競(jìng)爭(zhēng)下，寧?kù)o做科研也經(jīng)常是分秒必爭(zhēng)。

目前，“十四五”國(guó)家研發(fā)計(jì)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(kāi)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(guó)無(wú)論如何都不會(huì)再錯(cuò)過(guò)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(xiàng)技術(shù)的突破可能需要10到20年，或者需要更長(zhǎng)的時(shí)間，但寧?kù)o做好了準(zhǔn)備。