突破光與電的冒險之旅

在半導體光電器件這個大家族中，有許多的成員，它們有的能把電變成光，有的能把光變成電，還有的能對光和電的信號進行各種處理和放大。半導體光電器件神奇的功能吸引著南京大學電子科學與工程學院的博士生導師王科，他多年來一直致力于從事半導體光電材料與器件的前沿研究，在寬禁帶氮化物半導體的材料外延生長、物性分析、新型光電器件，尤其是氮化物外延生長技術與應用方面做了系列研究工作，取得了不錯的成果。

發光二極管與半導體照明革命

世紀之交，恰逢氮化鎵藍光二極管有了重大突破，半導體照明革命恰逢其時，南京大學是國內最早進入相關領域的單位之一。在張榮教授講述的半導體物理課堂上，王科對氮化物半導體產生了濃厚興趣。2000年從南京大學本科畢業后，他進入香港大學攻讀半導體物理學碩士學位，他的導師馮漢源是英國牛津大學有史以來第一位失明的物理學博士，他風度儒雅、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，還能在黑板上板書上課，有這樣讓人敬佩的老師，王科對研究更是不敢怠慢，為他日后的研究打下了扎實的基礎。

彼時雖然氮化鎵藍光二極管發展很快，但是更長波長的綠光-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光。當時，歐盟剛剛設立一個大型項目支持該項研究，于是王科決定前往牽頭該項目的英國斯特斯克萊德大學深造。“當時的想法其實很簡單，就是覺得這項研究非常有趣，同時也能看看外面的世界。”博士期間，王科跟隨導師凱爾文·奧唐奈（Kelvin O’Donnell）和羅伯特·馬丁（Robert Martin）教授進行了關于稀土元素摻雜氮化鎵的研究。“稀土元素有發紅光的、綠光的、藍光的，但是組合起來就變成了白光。我覺得這非常有意思。”王科發現稀土元素摻雜的半導體具有優異的光學特性，在LED顯示、上轉換、下轉換等領域有很好的應用價值。

博士畢業時，導師羅伯特·馬丁建議王科如果想在這個領域有更深的發展，日本是一個很好的選擇。“他跟我說，以氮化鎵、碳化硅為代表的第三代半導體，基本上都是日本團隊率先取得突破性進展。的確，日本是最近十多年半導體照明革命的發源地，其影響已經滲入到人們的日常生活中。”剛好當時課題組與日本立命館大學名西憓之教授有合作，做的是氮化物分子束外延生長技術，這是非常前沿的半導體材料和精細結構制備技術，王科覺得這是一個不錯的機會。2008年的春天，他闊別待了4年之久的格拉斯哥，來到了日本立命館大學，開啟新的研究之路。

鉆研新技術

分子束外延技術（Molecular Beam Epitaxy，MBE）是一種在晶體基片上生長高質量的晶體薄膜的前沿技術，在半導體制造、光電子等方面得到了廣泛的應用。“我們現在說‘卡脖子’技術，分子束外延技術正是一個環節，也是對我們領域來說很關鍵、很重要的一個環節，所以一開始我就想認認真真把分子束外延技術學扎實。”研究分子束外延技術不是一個簡單的過程，它需要時間的積累，王科在立命館大學一待就是5年。

5年間，王科充分掌握了MBE的相關理論，積累了不少成果。2013年的秋天，王科前往千葉大學任職副教授。在千葉大學工作期間，王科印象最深的是吉川明彥老師的認真與嚴謹。“吉川老師要求很嚴，只要定了計劃，一定要按計劃來推進，想盡各種各樣的辦法，克服各種各樣的困難，一步一步推進。”王科說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都極為重要，每一處細節都需要完善，才能有一個好的結果。“最重要的是，吉川教授的方向是和我契合的，研究是連貫的，一直聚焦氮化物外延技術。”他說。

2016年，王科來到日本理化學研究所（RIKEN）任職。這是日本唯一的綜合性自然科學研究所，在物理學、工程學、化學、計算科學等領域開展了廣泛的研究。在RIKEN量子光器件研究室，王科負責氮化物分子束外延平臺，同時主持日本學術振興會（JSPS）基金項目“基于氮化鎵（GaN）超晶格的太赫茲量子級聯激光器（THz-QCL）”，并作為骨干參與了JSPS大型項目“基于氮化物半導體的未開發波長太赫茲量子級聯激光器研究”，負責該項目理論設計和實驗的具體實施。很快，王科和團隊就制備出輸出功率超過1瓦的太赫茲量子級聯激光器，其功率密度可與世界紀錄相比擬。

在日本國立理化學研究所近3年時間里，王科收獲滿滿，但他也時刻關注著國內半導體領域的發展。“最近這十多年國家發展很快，國內科研環境大大提升，國家對第三代半導體支持力度很大，我覺得我應該回去。”

冒險之旅，創造新的第一

2019年王科回到了闊別已久的母校——南京大學，擔任電子科學與工程學院教授和博士生導師，為我國第三代半導體事業的發展貢獻一份力量。

很快王科就獲得了國家自然科學基金面上項目“氮化鎵系新型太赫茲量子級聯激光器研究”的支持。量子級聯激光器是一種新型半導體激光器，是半導體能帶工程的典范，在氣體檢測、空間通信、紅外對抗、太赫茲成像等方面得到了越來越多的應用，但也面臨著許多的問題。“目前世界上還沒有基于氮化鎵材料的量子級聯激光器，世界范圍僅有極少數單位關注，我們國家基本沒有開展該方向的研究，可以說這是一個‘無人區’。上千層原子級精確度外延結構的制備是一項挑戰極大的任務，我已經準備好坐冷板凳。”不久后該研究獲得科技部重點研發計劃重點專項支持。在王科構想的藍圖里，以氮化鎵系列材料開發新型太赫茲量子級聯激光器，是當前國際上具有引領性的前沿領域，如果取得突破，就可以產出從無到有的原創性成果，這將是我國新的第一，冒險是值得的。

面向產業難題

和戰略需求

氮化物半導體具備優良的材料特性，除了在發光方面的產業應用，在射頻微波電子、功率電子、光電探測等方面也有廣泛應用。江蘇省在氮化物半導體領域有很堅實的產業基礎，且大力支持產學研密切合作。王科回南京工作不久就獲得江蘇省產業前瞻與關鍵核心技術重點項目的支持，針對高質量氮化鎵襯底材料的應用開發，負責基于氮化鎵材料的器件應用驗證，主要面向國民經濟主戰場與5家合作單位開展幾種核心光電子與電子器件關鍵技術研究。比如面向新型顯示產業的micro-LED、面向5G通信產業的射頻微波器件、面向電力電子產業的功率器件，還有面向戰略需求的尖端技術——氮化鎵雪崩光電探測器、激光二極管、深紫外發光器件及紫外單光子探測器。江蘇良好的產學研合作氛圍正有力地促進科研工作落到實處，推動相關產業的發展。尤其是團隊紫外單光子探測器的工作已獲得體現國家戰略的科技創新2030—重大項目的支持。王科說：“能夠為我國科技發展的戰略需求貢獻一份力量，我感到非常榮幸。”

王科對于科研工作，有一種發自內心的熱愛。在他看來，科研不僅需要嚴謹認真的品格，而且需要勇于創新和鉆研深入的精神。作為一名教師，王科十分注重對學生的引導作用。在日常的科研教育中，他非常關心學生的想法，注重培養他們對產業發展趨勢的了解，引導學生關注科技前沿的進展動態，為將來選擇方向打下基礎。他的學生多次獲得國內外頂級學術會議的獎項，這是對他為教育付出的最大肯定。

站在前人的肩膀上，眺望遠方，王科充滿了自信：“雖然目前面臨的問題很多，但我們不會氣餒，我們會一個問題一個問題地解決，一步一個腳印地朝著目標前進。”