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赵德刚:只做国家有需要的研究

2020-10-23 中国科学报
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赵德刚 中科院半导体所供图

  “赵德刚在哪儿?”

  “不在实验室,就在去实验室的路上。”

  这是课题组成员对赵德刚的印象。20余年来,中国科学院半导体研究所(以下简称半导体所)研究员赵德刚几乎每天泡在实验室里,周围同事同学对他的行踪了如指掌。

  赵德刚所从事的半导体光电子材料与器件事业是信息时代的基石。在这个朝阳产业里,他没有向着“高产”的新型材料奔去,而是选择坚守展现出应用价值但研究步入深水区的传统材料——氮化镓,并钻坚研微,克服种种困难,带领团队研制出国内第一支氮化镓基紫外激光器、大功率蓝光激光器。

  “我是国家培养出来的‘土著科研人’,用实际行动回报祖国是我的夙愿。作为一名科研人,国家的需要在哪里,我的研究方向就在哪里。”赵德刚说。

  艰难的领域 巨大的难题

  简单来说,半导体研究有两大类,微电子和光电子。集成电路、晶体管在微电子研究的范畴内,而光电子研究多指激光及相关产品。上世纪90年代,中国的微电子行业相对落后,在电子科技大学学习了7年的赵德刚深深为这个专业着迷。在这期间,他申请加入了中国共产党。

  1997年,进入半导体所进一步学习之后,赵德刚发现我国对半导体器件需求巨大,但世界上生产该类器件的原材料却尚未成熟。“这也是我选择氮化镓光电子材料与器件研究的原因。”赵德刚说。

  氮化镓是继硅、砷化镓之后的第三代半导体,其光谱覆盖了近红外到深紫外全波段,且热稳定性好、抗击穿、耐腐蚀,在光电子学和微电子学领域具有巨大应用潜力。目前,基于氮化镓材料的蓝光发光二极管已经走进了千家万户,引发了照明产业的革命。日本学者赤崎勇、天野浩和中村修二也因发明“高效蓝色发光二极管”获得2014年诺贝尔物理学奖。

  作为另外一种高端光电子器件,氮化镓激光器在激光显示、激光加工、激光医疗等领域有重要应用。但激光器技术难度大,是国际化合物半导体研究的热点和制高点。

  “要做出蓝光激光器,必须生长出高质量的氮化镓材料。” 赵德刚介绍,由于缺乏匹配的衬底,氮化镓外延材料质量长期困扰着世界各国学者。

  电子迁移率高低是材料性能的综合反映。一般来说,电子迁移率越高,材料性能越好。当时,国际领域诺贝尔奖获得者中村修二做出来在室温下900平方厘米/伏特·秒电子迁移率的氮化镓材料,远远超过了平均水平。“900这一数字在当时被认为是不可超越的。” 半导体所助理研究员梁锋说。

  当时,课题组面临的最大问题是氮化镓材料能发光但无法激射,一向开朗乐观的赵德刚也发愁了,饭都吃不下去。阅读文献后,赵德刚发现做出高质量的氮化镓材料并没有绝招,关键是要找到影响电子迁移率的散射机制,并掌握减少散射中心数量的方法。

  因此,赵德刚深入研究了缓冲层原理,同时结合材料光学、电学、结构性质的分析,发现了缺陷产生和湮灭的物理过程,提出了独特的MOCVD外延技术。

  2004年,他们终于实验生长出高质量的氮化镓材料,在室温下其电子迁移率超过1000平方厘米/伏特·秒,这也是国际上MOCVD外延氮化镓材料的最好结果,得到了国内外广泛认可。

  “这只是局部超越,整体上我国与日本这样的技术先进的国家还有差距。”赵德刚说。

  独到的眼光 独特的思路

  研究出世界顶级的高质量氮化镓材料并不意味着激光器的研制成功。刚过而立之年的赵德刚毫不迟疑地投入到另一个难题——氮化镓的p型掺杂的研究中。

  “碳杂质的作用可能不简单,碳杂质的研究不能停止。”这个声音萦绕在赵德刚心中。

  进一步研究发现,碳杂质在p型氮化镓中扮演着“破坏者”的角色。通过结合生长机理的研究,课题组掌握了抑制碳杂质的方法,制备出高质量的低温p型材料。

  “碳杂质在其他材料中有没有这种现象?”课题组顺藤摸瓜,发现碳杂质在量子阱中的作用也是破坏性的。

  “碳杂质难道没有优点?”赵德刚带领课题组发现,欧姆接触中,适当引入碳杂质有助于电流的输入和输出。

  三连问逐渐形成了对碳杂质的系统性研究。

  “我总是从当前的课题中发现下一个课题,很少是从热点、报告、文献中获得课题。”赵德刚说,“半导体研究应该立足国家需要,被国外牵着鼻子走不太容易形成自身的研究特色、产生国内需要的研究成果。”

  解决问题的能力源于实践

  2012年,赵德刚指导研究生研究量子阱。实验遇到问题,迟迟未能解决。同事介绍,当时赵德刚凝神静气观察一番,拍了拍脑门问,“是不是V型坑对器件有影响?”事实证明的确如此,次年,诺贝尔奖获得者中村修二教授也在相关研究中引用了该结论。

  当问及赵德刚屡屡取得成绩的秘诀,他表示,秘诀只有两个字——“实践”,问题从实践中来,答案也在实践中。“半导体是理论与实践结合密切的行业,技术积累很关键,必须沉下心做积累,才有可能在研究中获得突破。”赵德刚说。

  赵德刚承担了许多研究任务,平时基本“钉”在实验室,但他依然保持着看书的习惯,他认为理论学习不能放下,没有深厚的理论功底,看问题很难透彻。

  科研人员最重要的本领是发现问题,最大的本事是解决问题。以从事20余年的氮化镓研究为例,赵德刚向记者介绍,氮化镓是目前已知的材料中最具应用价值的材料之一,一旦获得突破将为整个产业带来改变,而新型材料走上应用可能还需要更漫长的道路。

  他时刻关注氮化镓材料和光电器件的研究进展与热点,有点近乎“痴迷”,这种研究风格也感染着他的学生。

  “博士阶段选择研究方向时,新型材料研究容易发论文、评职称,对年轻科研人员的诱惑力很大,但是跟赵德刚老师交流后,我毫不犹豫选择了氮化镓,并且毕业后留所继续从事这项事业。”梁锋说。

  为国家半导体科技事业发展培养后备力量,是赵德刚的心愿。在赵德刚的鼓励下,其博士生还推导出氮化镓二维电子气的理论公式,促进了氮化镓微电子器件的研究。这让赵德刚倍感欣慰。

  “发展半导体必须有一批踏踏实实的研究人员沉在基层。作为一名党员,希望越来越多的青年立足国家需要做研究,在科研实践中实现个人价值。”赵德刚说。

  (原载于《中国科学报》 2020-10-23 第1版 要闻)
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