本刊記者 伍泠豫

成步文：放眼未來(lái) 不懈探索

本刊記者 伍泠豫

成步文研究員和他的恩師王啟明院士

專(zhuān)家檔案：

成步文，研究員，博士生導(dǎo)師，中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所光電子研發(fā)中心副主任。目前主要從事Si基半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料的外延生長(zhǎng)及相關(guān)光電子器件和光電集成技術(shù)的研究。在硅基異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料外延設(shè)備、材料生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)、硅基光電子學(xué)器件等方面取得了重要研究成果。如：主持研制出國(guó)內(nèi)最先進(jìn)的硅基異質(zhì)材料外延專(zhuān)用超高真空化學(xué)汽相淀積（UHV/CVD）系統(tǒng)；首次觀察到自組裝Ge量子點(diǎn)生長(zhǎng)中的形態(tài)反常演化和多層Ge量子點(diǎn)的斜對(duì)準(zhǔn)耦合現(xiàn)象；國(guó)內(nèi)首次外延生長(zhǎng)出高質(zhì)量的硅基厚Ge材料和硅基GeSn合金材料，國(guó)內(nèi)首次研制出Si基Ge長(zhǎng)波長(zhǎng)高速光電探測(cè)器、SACM結(jié)構(gòu)Ge/Si APD、硅基Ge/Si異質(zhì)結(jié)室溫工作LED器件和全波段響應(yīng)GeSn/Si光電探測(cè)器硅基光子學(xué)器件等。在國(guó)內(nèi)外重要期刊和會(huì)議上發(fā)表論文150余篇，獲得國(guó)家發(fā)明專(zhuān)利11項(xiàng)。

微電子技術(shù)經(jīng)過(guò)五十余年的高速發(fā)展，其特征尺寸已接近物理極限，“后摩爾定律”時(shí)代信息技術(shù)的發(fā)展走向成為世界共同關(guān)注的議題。硅基光子學(xué)和光電子集成技術(shù)近年來(lái)發(fā)展十分迅速，特別是隨著微納加工技術(shù)的發(fā)展以及新材料、新結(jié)構(gòu)、新概念的運(yùn)用，使得硅基光電子學(xué)充滿了生機(jī)和活力。

選擇了科學(xué)研究，就選擇了一條沒(méi)有盡頭的清苦而寂寞的道路，在硅基光電子學(xué)的研究道路上，中科院半導(dǎo)體所成步文研究員經(jīng)歷著蛻變，體味著艱辛，在事業(yè)與人生的每個(gè)路口處，都留下深沉的思考與穩(wěn)健的腳步，從容淡定，直道而行……

記者：您長(zhǎng)期從事硅基光電子材料和器件的研究工作，在該領(lǐng)域積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。作為專(zhuān)家，請(qǐng)您簡(jiǎn)單介紹一下我國(guó)在該領(lǐng)域的發(fā)展?fàn)顩r？與世界其它發(fā)達(dá)國(guó)家相比有著怎樣的差距？影響其發(fā)展步伐的主要障礙是什么？

成步文研究員：我國(guó)硅基光電子學(xué)的研究開(kāi)始于上世紀(jì)80年代末90年代初，開(kāi)始時(shí)并沒(méi)有受到重視，隨著人們對(duì)硅基光子學(xué)研究應(yīng)用前景的認(rèn)識(shí)進(jìn)一步深入，很多的研究團(tuán)隊(duì)加入到了這一研究領(lǐng)域中。特別是最近5年來(lái)，從事這一領(lǐng)域研究的人數(shù)劇增，取得了一批重要成果，硅基光子學(xué)的研究進(jìn)入了快速發(fā)展期。從硅基SiGe、Ge、GeSn材料外延，到硅基發(fā)光器件和光探測(cè)器等有源器件，再到光調(diào)制器、光開(kāi)關(guān)、光濾波器、復(fù)用解復(fù)用器、耦合器等波導(dǎo)器件，都取得了好的進(jìn)展。

我們的材料外延和單元器件研制水平與世界上其他國(guó)家的水平并無(wú)多大差距，主要的差距在集成和應(yīng)用方面。硅基光子學(xué)的主要應(yīng)用必須要結(jié)合硅基CMOS電路和工藝，充分發(fā)揮硅CMOS技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，所以真正的應(yīng)用要與硅集成電路結(jié)合。要推動(dòng)硅基光子學(xué)技術(shù)的應(yīng)用，就必須與IC廠家緊密合作，這其中存在很大的障礙。

記者：近年來(lái)，您先后主持和參與了多項(xiàng)重大基金、重點(diǎn)基金、973和863等國(guó)家重要研究課題，取得了多項(xiàng)科技成果。請(qǐng)問(wèn)，其中哪一項(xiàng)是您認(rèn)為最具開(kāi)創(chuàng)性的呢？你是在怎樣的背景下開(kāi)展這項(xiàng)技術(shù)的呢？期間，您遇到了哪些困難，您是如何帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)“突圍”的？

成步文研究員：我開(kāi)展硅基光電子的研究工作將近20年了，從設(shè)備的研制到材料的制備，再到器件的研制，期間也負(fù)責(zé)完成了一些重要的研究課題，印象最深的工作有兩個(gè)，其一是硅基外延生長(zhǎng)設(shè)備（超高真空化學(xué)氣相淀積設(shè)備UHVCVD）的研制。當(dāng)時(shí)除MBE比較成熟，有商品化設(shè)備外，沒(méi)有其它硅基異質(zhì)材料外延的商用設(shè)備，而且MBE設(shè)備在材料質(zhì)量和產(chǎn)業(yè)化等方面有明顯的劣勢(shì)，所以我們只能自己研制新設(shè)備。

經(jīng)過(guò)認(rèn)真調(diào)研，我們決定與中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)科儀中心合作開(kāi)展硅基異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料生長(zhǎng)的UHVCVD設(shè)備的研制。我們主要提出物理設(shè)計(jì)，特別是生長(zhǎng)室的設(shè)計(jì)和供氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、生長(zhǎng)程序控制等，沈陽(yáng)科儀中心負(fù)責(zé)設(shè)備的實(shí)現(xiàn)。1996年建立了當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)最先進(jìn)的UHVCVD設(shè)備，我們一面運(yùn)行一面對(duì)生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)過(guò)程有了深入了解，對(duì)設(shè)備進(jìn)行了多項(xiàng)改性，如制備分壓反射高能電子衍射儀，配備原位數(shù)據(jù)和圖像采集系統(tǒng)，增加氣體保護(hù)系統(tǒng)、液氮冷壁系統(tǒng)、串連真空抽氣系統(tǒng)等。經(jīng)過(guò)這些改進(jìn)，使設(shè)備更加適合硅基異質(zhì)材料的生長(zhǎng)，制備出了晶體質(zhì)量?jī)?yōu)良的SiGe合金材料，從而為我們后來(lái)的硅基光電子學(xué)研究打下了一個(gè)很好的基礎(chǔ)。

第二個(gè)印象深的事是硅基Ge材料的生長(zhǎng)。當(dāng)時(shí)承擔(dān)了一個(gè)863課題“Si襯底上的高速Ge光電探測(cè)器集成技術(shù)”，課題研究時(shí)間由申請(qǐng)時(shí)的3年改成2年，任務(wù)相當(dāng)緊。課題的關(guān)鍵是硅基Ge材料的外延生長(zhǎng)，當(dāng)時(shí)嘗試了多種納米圖形襯底技術(shù)，但是都不成功，生長(zhǎng)不出連續(xù)的高質(zhì)量外延薄膜，時(shí)間卻快過(guò)了1年。這時(shí)，有人用低溫過(guò)渡層技術(shù)生長(zhǎng)出了硅基Ge材料，但似乎不適合我們的外延設(shè)備，因?yàn)槲覀儗⑸L(zhǎng)溫度降到450℃時(shí)，還是三維的島狀生長(zhǎng)，還不能實(shí)現(xiàn)平面生長(zhǎng)，而生長(zhǎng)速度已經(jīng)低到無(wú)法接受的程度，再降低生長(zhǎng)溫度生長(zhǎng)似乎不現(xiàn)實(shí)。當(dāng)時(shí)考慮的是一定要突破常規(guī)的想法，于是我嘗試將溫度進(jìn)一步降低，當(dāng)將生長(zhǎng)溫度降低到290℃時(shí)，可以獲得平整的表面，而且生長(zhǎng)速度反而比較高，其生長(zhǎng)的物理機(jī)理也搞明白了。突破了過(guò)渡層的生長(zhǎng)，后面的事也就迎刃而解了，最終順利地按時(shí)圓滿完成了課題任務(wù)。由于在硅基Ge材料外延生長(zhǎng)技術(shù)上的突破，我們研制出了高速Ge光電探測(cè)器陣列、SACM結(jié)構(gòu)Ge/ Si APD器件，硅基Ge發(fā)光二極管等光子學(xué)器件，并在硅基Ge材料上外延出高質(zhì)量的GeSn合金材料，制備出了長(zhǎng)波響應(yīng)的GeSn光電探測(cè)器。我們還在硅基Ge外延材料上生長(zhǎng)出了InGaAs材料等。其中“硅基室溫電流注入Ge/Si異質(zhì)結(jié)發(fā)光二極管”入選由《激光與光電子學(xué)進(jìn)展》評(píng)選的“2009年度中國(guó)光學(xué)重要成果”。GeSn光電探測(cè)器的性能處于目前國(guó)際領(lǐng)先水平，2011年在Optical Express發(fā)表后被雜志Laser Focus World在News Breaks欄目中作為重要進(jìn)展進(jìn)行了跟蹤報(bào)道。

成步文研究員的研究團(tuán)隊(duì)

記者：溫家寶總理說(shuō)：“自主創(chuàng)新是科技發(fā)展的靈魂，是一個(gè)民族發(fā)展的不竭動(dòng)力，是支撐國(guó)家崛起的筋骨?！蹦窃鯓宇I(lǐng)會(huì)溫家寶總理的講話精神的？能否結(jié)合實(shí)際工作，談?wù)勀鷮?duì)自主創(chuàng)新的認(rèn)識(shí)？對(duì)自主創(chuàng)新的機(jī)制、體制建設(shè)有什么合理建議？

成步文研究員：首先，我認(rèn)為創(chuàng)新確實(shí)很難，而且有時(shí)是矛盾的。一方面，沒(méi)有深厚而寬廣的知識(shí)積累就不可能有比較好的革命性的創(chuàng)新。另一方面，積累的知識(shí)和常識(shí)往往又會(huì)束縛人的思想，給自己劃了一個(gè)思想的圈子，妨礙創(chuàng)新。

另外，創(chuàng)新往往是在比較放松的情況下產(chǎn)生的。所以，給科研人員比較寬松的環(huán)境是必須的。一個(gè)時(shí)時(shí)為生計(jì)而擔(dān)憂的人，他哪會(huì)有創(chuàng)新思想出現(xiàn)？

記者：請(qǐng)您結(jié)合人生經(jīng)歷談一談為什么會(huì)選擇這一專(zhuān)業(yè)作為自己的發(fā)展方向？有什么特別的人或事給了您啟發(fā)嗎？

成步文研究員：對(duì)我的影響最大的是王啟明院士，實(shí)際上是他首先在國(guó)內(nèi)提出開(kāi)展硅基光子學(xué)的研究，在他開(kāi)始組建硅基光電子材料和器件研究組時(shí)，

科我就加入了這一團(tuán)隊(duì)，跟隨王啟明院士已快20年了，他的為人、做事的原則方法等深深地影響和教育了我，他就是我學(xué)習(xí)的榜樣，是不可逾越的豐碑。他為人真誠(chéng)謙遜、平易近人；做事認(rèn)真負(fù)責(zé)講原則，意志堅(jiān)定堅(jiān)忍不拔；他學(xué)識(shí)淵博，高瞻遠(yuǎn)矚，對(duì)科研動(dòng)態(tài)和發(fā)展趨勢(shì)判斷非常準(zhǔn)確。在他的指導(dǎo)下開(kāi)展工作是我之大幸。

記者：您目前的工作重點(diǎn)是什么？進(jìn)展如何？

成步文研究員：我目前還在致力于硅基光子學(xué)的研究，主要是新型硅基異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料的外延生長(zhǎng)及其在光通信器件、光互連器件和太陽(yáng)能電池方面的應(yīng)用。主要包括硅襯底上的鍺、鍺錫和化合物半導(dǎo)體材料的外延生長(zhǎng)，并用生長(zhǎng)的異質(zhì)材料研制硅基高效發(fā)光器件、高速低功耗光調(diào)制器、高速光電探測(cè)器、全光譜太陽(yáng)能電池等，進(jìn)展比較順利。

后記：任何一件有意義的工作，總會(huì)暗生荊棘，擋在四周。從躊躇滿志的莘莘學(xué)子，到嶄露頭角的青年才俊，再到今天學(xué)識(shí)淵博的科研專(zhuān)家，歲月磨礪使成步文教授從心底騰涌起一片寧?kù)o淡泊。本著對(duì)科學(xué)的無(wú)限熱愛(ài)，他為事業(yè)傾注著全部的心血，打造著科研工作的精益求精，他深邃的目光始終放眼未來(lái)，對(duì)祖國(guó)硅基光電子學(xué)科技的發(fā)展進(jìn)行著不懈的探索……