本刊記者 李曉文

存高遠之志 填國內(nèi)空白
——記國家“千人計劃”特聘專家、電子科技大學教授宋海智

本刊記者 李曉文

作為新興、前沿的科技領域，量子技術在近年來發(fā)展迅速，已成為國家科技發(fā)展戰(zhàn)略的重要組成部分。2017年有報告統(tǒng)計，我國在量子科技領域的投入和產(chǎn)出綜合排名世界第二。對于量子的研究，還有人說，“在當前的信息技術中，量子科技是最具革命性前景的，可以顛覆人類未來”“量子科技的未來充滿無限可能，人類生活和社會生產(chǎn)都將因量子科技而深刻改變”。量子科技除了對經(jīng)濟社會產(chǎn)生深刻影響外，量子相關技術對國防事業(yè)更是至關重要。

發(fā)展量子技術已是大勢所趨，而半導體光電子材料是發(fā)展量子科技的關鍵支撐，只有解決材料基礎問題，才能掌握該領域的主動權。而宋海智從事的正是這樣一項事業(yè)——半導體光電子材料和器件研究。2014年，宋海智以國家“千人計劃”特聘專家身份全職回國，放棄海外10多年的優(yōu)越工作和生活，先后加入西南技術物理研究所和電子科技大學，充分發(fā)揮其在量子技術領域的專長，立志填補國內(nèi)光電子材料領域空白，并成功突破瓶頸，初步實現(xiàn)了相關材料的自主研制。

負笈求學，玉汝于成揚眉

從1986年到1997年，從南京大學到北京大學，再回到南京大學，這一路上，宋海智完成了本科、博士、博士后的學習和研究，而不變的是他一直在自己最感興趣的半導體物理領域里奮斗著。10多年的專業(yè)積累，為宋海智的成長打下了堅實基礎。學海無涯，特別是當攀登“科研”這座高峰時。于是，1998年，宋海智決定到比利時魯汶大學物理系作訪問學者?！霸谀莾阂矊W了不少東西，雖然時間短，但還是很長見識?！?/p>

說到半導體行業(yè)，尤其是材料行業(yè)，那就不得不說到日本。日本在半導體以及材料行業(yè)的地位，一直處于世界頂尖。這對宋海智無疑有著最大的吸引力，要想接觸到最前沿的技術，要想在半導體及材料領域做出一番事業(yè)，必須去日本。1998年，宋海智決定遠赴東洋，而這一待就是16年，同時也鑄就了他人生中的一段輝煌征程。這16年里，他先后在日本筑波大學物理工學系任助教，在日本富士通研究所納米技術研究中心任研究員，又在富士通研究所納米電子研究中心任高級研究員，同時兼職日本東京大學量子電子情報研究機構高級研究員。其中，在富士通的工作時間長達10年之久，這也是宋海智“高產(chǎn)”的重要階段。

這期間，他發(fā)明了半導體量子點量子運算陣列制備技術，并產(chǎn)生廣泛的國際影響，為學界同行不斷模仿跟蹤；成功開發(fā)了1.3微米半導體量子點激光器材料的生產(chǎn)技術，其器件曾獲得日本文科省科技獎、經(jīng)產(chǎn)省大臣獎等多項國家級和國際獎項，該器件完成量產(chǎn)化后市場表現(xiàn)良好；主持設計和研制了1.06微米半導體量子阱激光器，以此為基礎制成的純綠色激光器已經(jīng)產(chǎn)品化；研究設計了高性能1.55微米半導體量子點單光子源，以此實現(xiàn)了120km光纖量子密鑰分配。

作為晶片生產(chǎn)技術負責人，宋海智成功研制的1.3微米半導體量子點激光器有著其他產(chǎn)品無法比擬的優(yōu)良特性：單模輸出，最高工作溫度200℃， 無錯傳輸距離＞20km。與具有國際先進水平的德國Innolume公司相關產(chǎn)品相比，在“直接調(diào)制比特率”和“穩(wěn)定工作溫度”等指標方面處于均處于優(yōu)勢地位。該產(chǎn)品性能為國際最高水平，在日本QDLaser公司已經(jīng)量產(chǎn)化，并用于高速光纖通訊（國內(nèi)尚未有實用化的類似產(chǎn)品）。

2016年3月，與諾貝爾獎獲得者中村修二在電子科大探討合作。

作為材料生長、芯片工藝及質量評價負責人，宋海智成功開發(fā)的純綠色半導體激光器，產(chǎn)品性能也同樣處于國際先進水平：單模輸出，色純度532nm，調(diào)制帶寬＞100M H z。該產(chǎn)品已經(jīng)由QDLaser公司量產(chǎn)化，將用于下一代微型投影儀等顯示設備（國內(nèi)尚未見類似產(chǎn)品的開發(fā)成果）。

長期從事半導體光電子材料和器件的研究以來，宋海智已發(fā)表學術論文120余篇，授權美國、歐洲、日本技術專利達25項，并多次在國際學術會議上作特邀報告。

面對如此多的驕人成績，宋海智直言：“完成了幾項產(chǎn)品設計和開發(fā)，我覺得這是我工作最驕傲的地方。說實話，做產(chǎn)品這一路，都是一步一個腳印走過來的?！倍嗄暝谌毡镜墓ぷ鞯那猩斫?jīng)歷，讓宋海智感受最深的就是：“在做科研方面，日本人并不一定比我們更有創(chuàng)造性，但是他們做一件事情能做得非常精細，做得非常到位?！倍@種精益求精的科研態(tài)度，也深深影響著他。

學成歸國，助推光電材料

盡管在國外10余年創(chuàng)下了累累碩果，但這對宋海智來說，并不是真正的價值實現(xiàn)。多少個日日夜夜，隔海而望的祖國時時刻刻牽繞在他心中?！坝梦宜鶎W，回報祖國，服務國家，希望能在光電子材料領域填補國內(nèi)空白?！边@才是宋海智最大的理想。

于是，在2014年，宋海智毅然選擇全職回國。在他看來，回國有三大考慮：“一是科研做到一定程度，要尋找新的挑戰(zhàn)。國內(nèi)科研形勢一片大好，每個人都干勁很足，在不斷的出成果，這種積極的氛圍非常吸引人；二是個人的價值實現(xiàn)，要在科研中做出成就感；第三是實實在在的，發(fā)揮在國外這么多年所學所得，希望為咱們國內(nèi)解決某一方面的問題，能夠貢獻一點力量。在半導體光電子材料這一方面，國內(nèi)產(chǎn)品的材料需求主要還是依靠進口，材料問題還沒有徹底解決，尤其是軍需品，如果基礎材料受制于人就會很被動，只有掌握了這方面的核心技術，自給自足，自主開發(fā)，才能掌握主動權?！?/p>

“我就希望我可以有這個能力回來解決這個問題。”宋海智直言，“我有這個責任，而且我相信我也有這個能力，在半導體光電子材料方面，至少部分地解決我們國內(nèi)的需求。”

III-V族半導體多層異質結光電材料是發(fā)展近紅外半導體光電器件的基礎核心材料，是影響近紅外半導體光電探測器與激光器性能的關鍵因素。該異質結材料制備的水平直接關系到近紅外半導體光電探測器的量子轉化效率、雪崩倍增因子、光譜響應范圍、噪聲因子與響應時間等關鍵性能指標；而近紅外半導體光電探測器作為基礎核心器件，其性能直接影響近紅外激光武器系統(tǒng)（包括激光制導、激光預警、激光成像探測等）的探測靈敏度、探測波段、探測距離等關鍵戰(zhàn)技指標。同時，III-V族半導體多層異質結光電材料也是研制半導體激光器等其他光電器件的核心基礎材料，因而具有廣泛的戰(zhàn)略意義和研究價值。

據(jù)宋海智介紹，目前國內(nèi)自主研發(fā)的III-V族半導體多層異質結光電材料，在材料的均勻性、組分精確控制、膜層厚度精確控制等質量方面與日本、美國的材料制備水平存在一定的差距，并不能滿足我國軍用近紅外半導體光電器件，特別是具有量子結構的近紅外光電探測器的研制需要。而國外研制的高性能III-V族半導體多層異質結光電材料對我國嚴格禁運，這嚴重制約了我國近紅外光電探測器的發(fā)展。因此，開展高性能多層異質結光電材料研制能夠大大縮短我國在核心光電器件領域同國外的差距。

而宋海智所掌握的異質結半導體材料生長的精密制備技術已成功地運用于半導體光電子器件（主要包括半導體光電探測器和半導體激光器），其中新型的半導體量子點激光器，目前在國外即將進入實用階段，國內(nèi)的開發(fā)尚有待展開。

除了擁有堅實的半導體物理理論基礎，宋海智在半導體光電子學領域還有著20多年的研發(fā)經(jīng)驗，不但掌握了利用MBE(分子束外延）、MOCVD(金屬有機物化學氣相沉積）等手段制備多層異質結光電材料的核心技術，而且在III-V族半導體多層異質結光電材料的研制上獨有“專長”。這將有力地推動國內(nèi)軍用半導體光電子器件的發(fā)展，大大縮短國內(nèi)半導體多層異質結構材料的制備技術與國際前沿水平的差距。

2014年全職回國后，宋海智首先選擇加入西南技術物理研究所，負責光電子材料的研發(fā)。在宋海智看來，做光電子材料，首先要選擇突破口和切入點，而這個突破口就是西南技術物理研究所。

西南技術物理研究所肩負著發(fā)展國內(nèi)激光材料、激光探測器、激光器及激光武器應用的重要使命，不言而喻，高性能的光電材料是其研發(fā)基礎的重中之重。

在大面陣雪崩探測器的制備上，由于國際上軍用面陣探測器材料對我國嚴格禁運，這就使我們的焦平面探測器無法實現(xiàn)完全國產(chǎn)化，瓶頸始終沒有突破，極大地限制了激光成像探測技術及其應用裝備的發(fā)展。而憑借多年掌握的多層異質結光電子材料制備的核心技術，尤其是在III-V族半導體多層異質結光電子材料方面的專長，宋海智將為激光焦平面探測器的研制解決基礎問題——材料。在宋海智和團隊的共同努力下，目前，該所研制材料的綜合技術參數(shù)已與國際先進水平相當，初步克服了激光焦平面探測器國產(chǎn)化的瓶頸難題，從而有力提升我國軍用半導體光電探測器的綜合性能，促進激光成像雷達等先進光電武器裝備的發(fā)展，大大縮短與國外先進水平的差距。

2008年使用光電子材料開發(fā)設備

以雪崩探測器所需要的材料作為切入點，經(jīng)過不斷研究，宋海智和團隊已基本實現(xiàn)了半導體雪崩光電探測器材料的自主研制。

借科大之力，搭建西部平臺

2015年6月，在電子科技大學基礎與前沿研究院和光電信息學院的聯(lián)合引進下，宋海智加入了電子科大。在這里，他將充分發(fā)揮在科研院所和產(chǎn)業(yè)界長期積累的優(yōu)勢，結合電子科技大學的學科特點，展現(xiàn)其在基礎研究領域引領性作用，致力于學科建設和人才培養(yǎng)，推動學校在光電學科領域的發(fā)展。

宋海智表示，自己也非常榮幸成為成電子科大的一份子。他說，電子科大有著深厚的歷史積淀和良好的學術氛圍，感謝學校提供的良好基礎研究和創(chuàng)新平臺。這兩三年來，他依托基礎與前沿研究院和光電信息學院，努力為學校作出應有的貢獻。

除了半導體光電子材料的研究，宋海智比較感興趣的還有量子信息研究。目前，宋海智在電子科技大學正著力進行量子信息器件方面的相關研究。

近幾年來，關于量子信息研究的相關報道異?；馃幔覈晒Πl(fā)射量子衛(wèi)星及其相關量子通信試驗，在國際相關研究領域帶來了重大影響。有人稱，“在當前的信息技術中，量子科技是最具革命性前景的，將顛覆人類未來?！睙o論是在量子芯片、量子通信和量子計算等量子效應的深度應用，還是在顯示的初露鋒芒，量子科技都呈現(xiàn)出了充滿無限想象的未來。

而早在十幾年前，宋海智就開始了量子信息的研究，產(chǎn)出了一批發(fā)明專利。在日本東京大學量子電子情報研究機構工作期間，又參與實現(xiàn)了遠距離光纖量子通信。根據(jù)這些經(jīng)驗，盡管量子技術的相關研究比較火熱，但仍然存在著一系列瓶頸問題。宋海智表示：“目前量子技術所需要的一些器件還不成熟，我們想通過我們的半導體技術，來解決現(xiàn)在面臨的實際問題?！?/p>

毫無疑問，我國在量子信息領域的研究已處于世界前沿水平，但宋海智明顯感覺到：“國內(nèi)在這一方面的發(fā)展還不平衡，東西部差距還很明顯?！蹦懿荒茉谖鞑恳步⒘孔有畔⒀芯炕兀窟@成了宋海智的一個想法，并致力于推動平臺的建設。

除了個人興趣，宋海智坦言，自己也有一點“野心”：抓住目前國內(nèi)以及世界整體發(fā)展的方向，在基礎技術方面跟上國際步伐；能有所創(chuàng)新，擁有我們自己的自主知識產(chǎn)權的量子產(chǎn)品。對于目前的工作，宋海智表示：“我們會重點解決量子信息技術在實現(xiàn)應用或者產(chǎn)業(yè)化過程中遇到的必須解決的器件問題?！?/p>

眼下，宋海智正在建設兩班團隊，有條不紊地開展相關研究工作。在團隊建設和人才培養(yǎng)上，宋海智也有自己的心得和原則：“團隊要有一個開放的體制；培養(yǎng)學生不只是為項目、為團隊培養(yǎng)，更要為社會培養(yǎng)，要有一個開放的心態(tài)和眼光；要培養(yǎng)一批能夠支撐起半導體光電材料整個產(chǎn)業(yè)的人才?！?/p>

“我們的目標就是要建立我們國家自己的半導體光電子材料生產(chǎn)平臺，將來我們國內(nèi)光電子器件生產(chǎn)所需材料都由我們自己來提供?！北M管萬事開頭難，前期啟動性質的基礎工作并不好做，但宋海智始終滿懷信心，同時他表示，“要做成這么一件有意義的事，并非一人或一個單位所能完成的，希望能聯(lián)合其他單位的有關專家一起做”。明知山有虎，偏向虎山行。宋海智清楚知道前面的路并不好走，回國這3年他也從未停止過努力，為獲得民間資本或地方政府資助，他一直在奔波著。

最后，宋海智表達了自己的殷切期望：“如果地方或者國家層面能夠再給予更大的扶持和支持的力度的話，我想我們的目標一定指日可待?！彼魏Ｖ呛苷J真地說道：“無論如何，我們自己永不退縮，會朝著建立和完善我國半導體光電子材料產(chǎn)業(yè)的目標不斷地前行。”

專家簡介：

宋海智，國家“千人計劃”特聘專家，電子科技大學教授。1990年畢業(yè)于南京大學物理系半導體物理與器件專業(yè)，獲理學學士學位；1995年畢業(yè)于北京大學物理系凝聚態(tài)物理專業(yè)，獲理學博士學位；1997年完成南京大學物理系博士后研究；1998年赴比利時魯汶大學物理系作訪問學者；1998～2001年，在日本筑波大學物理工學系任助教；2001～2004年，在日本富士通研究所納米技術研究中心任研究員；2004～2014年，在日本富士通研究所納米電子研究中心任高級研究員，同時兼職日本東京大學量子電子情報研究機構高級研究員。長期從事半導體光電子材料和器件的研究，至今已發(fā)表學術論文120多篇，授權美國、歐洲、日本技術專利25項，多次在國際學術會議上作特邀報告,并成功研發(fā)了多種半導體光電子產(chǎn)品。