李 莉 王 輝

牛智川參加銻化物半導體技術成果合作發(fā)展座談會

半導體，與計算機、原子能、激光科技并稱為當代科技文明標志性四大領域。半導體科技經過約70年的發(fā)展，科學理論不斷完善，材料器件應用日益廣泛，已經成為世界各大國強盛的戰(zhàn)略根基。我國科技界將半導體材料體系的拓展稱為三代半導體，也就是硅或鍺基、砷化鎵或磷化銦基、氮化鎵或碳化硅基材料三大體系?；谶@三代（類）半導體形成的大規(guī)模集成電路與計算機技術、高速光纖通信與互聯(lián)網(wǎng)技術、高功率電力電子與能源技術等諸多重大戰(zhàn)略應用價值方向，不斷推動現(xiàn)代信息技術、能源技術以及人工智能技術的進步和發(fā)展。

囿于時代背景和工業(yè)基礎，我國的第一代、第二代半導體科技水平長期落后于人。進入21世紀后，半導體科技發(fā)展規(guī)劃全面步入國家戰(zhàn)略層面。2020年9月4日，一則“我國將把大力發(fā)展第三代半導體產業(yè)寫入‘十四五’規(guī)劃”的消息，更是引發(fā)市場對功率半導體的矚目，以氮化鎵、碳化硅為首的第三代半導體材料一時間風光無限。當前，伴隨量子信息、可再生能源、人工智能等高新技術的迅速涌現(xiàn)和發(fā)展，持續(xù)催生和驅動半導體新體系微電子、光電子、磁電子、熱電子等多功能器件技術的涌現(xiàn)。特別是信息技術向智能化、量子化邁進的重要時期，基于經典的前三代半導體深入挖掘其潛力的同時，也需要開拓新體系、新結構、新功能半導體材料，以滿足不斷增長的高性能、低成本芯片的需求。在牛智川看來，以G a2O3超寬帶隙半導體、銻化物窄帶隙半導體、二維原子晶體低維半導體等為核心體系的多種新材料技術中，新型銻化物半導體材料在開拓量子拓撲新效應、推動紅外器件制備技術變革兩方面占有戰(zhàn)略先機地位，是近20年來，國內外半導體材料研究領域呈現(xiàn)出絕無僅有的兼具基礎研究科學意義和確定性重大應用前景的新材料體系，作為在相關研究方向走在全球前列的團體之一，中國科學院半導體研究所牛智川研究員團隊領銜了我國銻化物半導體的開拓與發(fā)展。

走近銻化物半導體

什么是銻化物半導體？在回答這個問題之前，先來認識一下半導體。顧名思義，半導體就是指在常溫下導電性能介于導體與絕緣體之間的材料。相比導體和絕緣體，半導體的發(fā)現(xiàn)是最晚的，但也可以追溯到19世紀上半葉。

1833年，英國科學家、“電子學之父”法拉第最先發(fā)現(xiàn)硫化銀的電阻隨著溫度的變化情況不同于一般金屬，即隨著溫度升高，電阻率指數(shù)會減小，這是半導體現(xiàn)象的首次發(fā)現(xiàn)，也是半導體被發(fā)現(xiàn)的第一個特性。6年后，年僅19歲的法國物理學家亞歷山大·貝克勒爾發(fā)現(xiàn)，半導體和電解質接觸形成的結在光照下會產生電壓，也就是后來人們熟知的光生伏特效應，這是半導體被發(fā)現(xiàn)的第二個特性。1873年，英國的史密斯發(fā)現(xiàn)硒晶體材料在光照下電導增加的光電導效應，這是半導體被發(fā)現(xiàn)的第三種特性。次年，德國航天工程師布勞恩觀察到某些硫化物的電導與所加電場的方向有關，即它的導電有方向性，在它兩端加一個正向電壓，它是導通的；如果把電壓極性反過來，它就不導電，這就是半導體的整流效應，也是半導體被發(fā)現(xiàn)的第四種特性。

雖然半導體的這4個特性在1880年以前就先后被發(fā)現(xiàn)了，但“半導體”這個名字直到1911年才被考尼白格和維斯首次使用，而總結出半導體的這4個特性的工作一直到1947年12月才由貝爾實驗室完成。也是在這一年，因為鍺材料晶體管的誕生，讓半導體材料真正走上了歷史舞臺。盡管這時距離半導體的第一個特性被發(fā)現(xiàn)已經過去了100多年，但在其后幾十年間，半導體幾乎引領了整個信息化、數(shù)字化時代的發(fā)展。

“半導體已經從‘20世紀四大發(fā)明’之一發(fā)展成一個全人類的戰(zhàn)略性支柱領域。我們現(xiàn)在所有的信息化、數(shù)字化、智能化設備都離不開半導體?！迸Ｖ谴ㄕf道。

利用半導體制造的晶體管是芯片的最小單位，也是電子信息設備的基礎元件。在牛智川看來，半導體科學成為信息時代的戰(zhàn)略性科技領域，首先得益于20世紀初量子理論在固態(tài)體系中的衍生發(fā)展與深入完善，同時又依賴于半導體制造技術的創(chuàng)新迭代與產業(yè)應用。

縱觀半導體100多年發(fā)展歷程會發(fā)現(xiàn)，半導體技術一共歷經了3代更迭，而這里的代際主要是根據(jù)半導體制造材料來劃分的。

第一代半導體的材料是Ⅳ族硅（Si）/鍺（Ge）體系。在20世紀90年代之前，以硅材料為主的半導體占絕對的統(tǒng)治地位。直到目前，半導體器件和集成電路仍然主要是用硅晶體材料制造的，硅器件占了全球銷售的所有半導體產品的95%以上。

第二代半導體的材料是Ⅲ-Ⅴ族砷化鎵（GaAs）/磷化銦（InP）體系。隨著以光通信為基礎的信息高速公路的崛起和社會信息化的發(fā)展，以砷化鎵、磷化銦為代表的第二代半導體材料嶄露頭角，由它制造的半導體激光器更是成為光通信系統(tǒng)中的關鍵器件，同時砷化鎵高速器件也開拓了光纖及移動通信的新產業(yè)。

第三代半導體材料即為Ⅲ-Ⅴ族的氮化鎵（GaN）/碳化硅（SiC）體系，這也是當前全球戰(zhàn)略競爭的制高點、我國重點扶持的行業(yè)。相比前兩代半導體，第三代半導體材料具有更大的禁帶寬度，可以滿足現(xiàn)代電子科技對高溫、高壓、高功率、高頻及高輻射等惡劣環(huán)境的要求，在航空、航天、光伏、汽車制造、通信、智能電網(wǎng)等前沿行業(yè)中擁有大規(guī)模應用前景，但仍然面臨著單晶生長時間長、技術門檻高、成本高、良率低等諸多問題。

“雖然前三代經典半導體技術持續(xù)發(fā)展，但已經呈現(xiàn)出難以滿足新需求的嚴重問題，特別是難以同時滿足高性能、低成本的苛刻要求。”在牛智川看來，隨著量子信息、綠色能源、人工智能等高新技術的不斷涌現(xiàn)，開拓更新一代半導體技術是大勢所趨?！霸诠怆娮印⒘孔?、物聯(lián)、智能等技術需求的強烈驅動下，半導體技術將從硅基半導體主導的微電子時代邁向微電子與光電子半導體技術并重新時代?！倍谶@種情況下，以Ⅲ-Ⅴ族半導體為核心的光電子材料新一代技術的研究更加重要。

牛智川介紹，目前的新型半導體技術最具發(fā)展?jié)摿Φ捏w系主要包括：窄帶隙的銻化鎵/銦化砷化合物半導體、超寬帶隙的鋁氮化合物和氧化鎵材料以及各類低維材料如碳基納米材料、二維原子晶體材料等。其中，銻化物半導體在凝聚態(tài)基礎物理方面的研究內涵十分豐富且深刻，在光電器件技術領域尤其是寬譜域覆蓋的紅外光電芯片方向具有打破傳統(tǒng)紅外材料的諸多瓶頸，實現(xiàn)全面替代的重大應用前景，當之無愧占據(jù)了第四代半導體的核心地位。

“銻化物半導體在開發(fā)下一代的紅外光電器件方向，具有小體積、輕重量、低功耗、低成本器件及能滿足要求極為苛刻的應用等獨特優(yōu)勢?！迸Ｖ谴ń榻B，銻化物半導體材料主要優(yōu)勢有3點：一是相應的帶隙能量覆蓋了近紅外到數(shù)十微米長波的整個紅外區(qū)域；二是其為當前唯一可以在所有紅外波段實現(xiàn)高性能多波段探測和發(fā)光光電器件的半導體材料；三是其與現(xiàn)有商用半導體光電器件工藝技術具有高度兼容性，應用性強。

正是因此，從21世紀初開始，銻化物半導體就得到了廣泛重視，并從2009年起國外就將銻化物半導體相關的材料和器件列為出口封鎖和壟斷技術。作為當今世界的戰(zhàn)略性支柱產業(yè)，半導體的發(fā)展直接影響現(xiàn)代信息社會發(fā)展的水平，可以說，誰能掌握下一代半導體器件工藝技術誰就擁有了新時期國際話語權。在此形勢下，從2005年起，中國科學院半導體研究所聚焦銻化物半導體體系，組織了以牛智川研究員為帶頭人的研究團隊，開始了艱難的自主研發(fā)攻關旅程，而他們的立足點就是銻化物半導體紅外光電技術的研究。

十年磨一劍，開啟國產銻化物半導體光電芯片發(fā)展新路

2020年年初的一場疫情，讓一種非接觸式測溫設備——紅外體溫檢測儀走到臺前，成為各個國家關注的產品，一顆小小的紅外測溫探測器亦在一夜之間“一芯難求”。

“高于絕對零度（0K，即-273.15℃）的物質都可以產生紅外線，獲取紅外線其實也就是拓展人眼的觀察能力。比如，到了晚上一般我們就看不見東西了，但只要有溫度的物體就會輻射紅外光，通過半導體紅外光學器件我們就能看到，自然就拓展了人類的觀察能力?！迸Ｖ谴ㄕf道。

人類的科技進步史，其實也是一部尋找光明未來的探索史。正常情況下，一般人的眼睛可以感知的電磁波的頻率在380～750THz，波長在780～400nm之間，也有人可以感知到頻率在340～790THz，波長在880～380nm之間的電磁波。而紅外線波長在760nm～1mm之間，是一種肉眼看不到的光。

紅外熱成像技術發(fā)展最早始于美國，并長期運用在各類裝備領域，是西方發(fā)達國家多年來施行制裁和核心技術封鎖的重要手段。過去，歐美等國家長期對我國實行核心技術封鎖，紅外成像光電芯片技術也成為名副其實的“卡脖子”技術。經過幾十年的發(fā)展，我國國產紅外探測器性能取得長足進步，但整體上仍舊與國外最先進技術存在代際差異。當前，中國科學院半導體研究所牛智川團隊率先在銻化物新體系材料方向積極探索，為我國半導體科技界及時把握銻化物半導體器件技術發(fā)展機遇、為高性能紅外光電芯片形成迭代生態(tài)的持續(xù)性技術突破直至超越，起到了引領和推動作用。他們在銻化物半導體微納材料、紅外光電器件方向的全方位開拓發(fā)展，成為我國基于銻化物半導體實現(xiàn)高端紅外光電芯片國產化全鏈條制造技術的引領者。

牛智川在紀念黃昆誕辰100周年暨半導體學科發(fā)展會議上作報告

2005年，德國弗勞恩霍夫協(xié)會應用固體物理研究所首次為歐洲新一代大型運輸機A400M研發(fā)了銻化物砷化銦（InAs）/銻化鎵（GaSb）超晶格中波雙波段紅外焦平面芯片，第一次為銻化物半導體材料的器件應用完成了實用性驗證，證明了早年理論上預計銻化物超晶格是理想紅外材料的預言，這極大地引發(fā)了各國針對銻化物半導體紅外光電技術的研究熱情。

這一新動向被牛智川團隊敏銳地捕捉到，他們迅速組織研究力量，利用有限的研究經費改造20世紀80年代購置的老舊外延設備，由此艱難起步，開啟了銻化物半導體材料外延及其物理性質和原型器件的艱難探索。

在沒有現(xiàn)成國外研發(fā)技術參考并受到國際嚴密原材料封鎖的情況下，牛智川團隊充分利用中國科學院半導體研究所數(shù)十年來在超晶格物理研究的雄厚基礎，從理論計算研究入手，通過改造商用的分子束外延設備，在國產2英寸直徑高質量GaSb單晶襯底晶圓上實現(xiàn)了銻化物半導體紅外探測與激光材料的高質量外延，系統(tǒng)性研究突破了銻化物半導體外延材料及其紅外光電芯片關鍵技術，并由此帶動了中國科學院半導體研究所銻化鎵大尺寸單晶襯底的制造技術突破國外封鎖。

這十幾年間，牛智川團隊曾用兩年探索成功大失配GaSb過渡材料的外延技術，實現(xiàn)銻化物外延超晶格結構的高質量生長，實現(xiàn)了GaAs襯底上外延GaSb材料的高質量材料，此性能迄今為止依然是已有報道中的最好結果之一。

牛智川團隊還進一步結合GaSb緩沖層位錯過濾技術降低大失配位錯，最終成功實現(xiàn)了不同周期厚度的近紅外和中紅外銻化物超晶格半導體材料，第一次開發(fā)了2μm波段的銻化物超晶格探測器，這是國際上首次基于銻化物開發(fā)超晶格近紅外光電器件，更是國內第一次獲得的銻化物材料體系的紅外探測器。

在國外停止對中國出口GaSb襯底的困難時期，半導體研究所材料室研究團隊在較短時間內獨立開發(fā)了2英寸開盒即用外延級GaSb襯底并實現(xiàn)了小批量生產，此后又擴大到4英寸，產品性能接近國際水平，實現(xiàn)了材料國產化目標。

同時，牛智川團隊還設計制備了銻化物InGaAsSb量子阱中波紅外激光器，首先實現(xiàn)2μm銻化物量子阱激光器的室溫連續(xù)激射，并實現(xiàn)了第一只2μm分布反饋式（DFB）窄線寬激光器的室溫連續(xù)激射。

不僅如此，牛智川團隊還成立了國際上第一個專門針對銻化物體系的研發(fā)中心——銻化物窄帶隙半導體研究中心，極大地推動了銻化物半導體從基礎理論、單晶襯底、外延材料、核心器件與系統(tǒng)集成的全鏈條技術的發(fā)展和研發(fā)能力的大幅度提高……

十余年磨一劍——牛智川團隊在銻化物半導體光電器件性能上的突破，成為推動我國相關單位針對銻化物半導體新體系開發(fā)紅外器件應用的技術源泉。自2009年起，牛智川團隊先后為中國洛陽光電器件研究所、昆明物理研究所、華北光電研究所、中國科學院上海技術物理研究所、中國科學院長春光學精密機械與物理研究所、中國科學院物理研究所、哈爾濱工業(yè)大學、南京大學、復旦大學、首都師范大學、中國科技大學、武漢高德紅外股份有限公司等各行業(yè)研發(fā)機構/科技企業(yè)提供核心技術并與之開展深度合作。

在各方堅持不懈的努力下，截至目前，團隊已經開發(fā)了2～20μm覆蓋的銻化物超晶格的紅外單色焦平面和紅外雙色焦平面芯片，研制了1.8～3.8μm紅外波段銻化物量子阱單模和大功率激光器，其中，大功率激光器單管、巴條、疊陣組件的室溫連續(xù)輸出功率獲得持續(xù)突破分別達到了2.6W、18.4W、172W，單模激光器在60mW輸出功率下邊模抑制比達到57dB的國際最高水平。

在此基礎上，團隊還聯(lián)合國內產學研用各方面力量，發(fā)起成立了銻化物半導體技術創(chuàng)新與產業(yè)發(fā)展聯(lián)盟，通過聯(lián)盟方式針對各方需求，為國內各裝備行業(yè)及高科技企業(yè)開發(fā)多功能高性能光電芯片，推動長期受限于國外技術封鎖的紅外高端光電芯片的自主可控全鏈條技術進步，實現(xiàn)部分性能的超越領跑和滿足各類需求的全鏈條解決方案。

在國家自然科學基金重大項目“銻化物低維結構中紅外激光器基礎理論與關鍵技術”等項目資助下，牛智川團隊取得了“銻化物紅外量子阱激光器”技術成果。成果在銻化物量子阱激光器能帶結構設計、外延材料技術方面創(chuàng)新性顯著，激光器的綜合性能達到國際先進水平，其中器件光電效率和室溫輸出功率處于國際領先水平，特別是關鍵的輸出功率性能已經超越了國外禁運指標，成功突破“卡脖子”難題！

“從零起步，到推動整個銻化物半導體紅外光電產業(yè)鏈發(fā)展，我們走了十余年。這中間有很多人不理解，也有很多人離開，但我覺得要做真正的科學應用，必須‘十年磨一劍’，因為熱點永遠也追不完，只有踏踏實實干一件事才有可能成功?！迸Ｖ谴ㄕf。

“我們的目標是實現(xiàn)銻化物半導體的廣泛應用”

進入21世紀以來，國際科學技術日新月異。隨著互聯(lián)網(wǎng)的飛速發(fā)展，大數(shù)據(jù)、云計算、人工智能、區(qū)塊鏈等一系列高科技名詞更是讓人眼花繚亂。“材料領域也是一樣，如果我們今天覺得納米材料好，明天覺得二維材料好，到最后永遠也追不完，每個領域都是淺嘗輒止，即使有了重大發(fā)現(xiàn)也來不及應用。”身在半導體領域，牛智川對此一直有著清醒的認識，“我們這個學科不像天文地理可以純粹進行探索性研究，它是基礎理論到最終應用的結合，所有的研究都有一定的目標驅動?！?/p>

牛智川說，回顧人類科技文明發(fā)展史會發(fā)現(xiàn)，最初的發(fā)明創(chuàng)造都是由更好生存的目的驅使。在此物質基礎上，人們才有了探索自然的時間和欲望。誠然，科技發(fā)展到如今，一個國家總要有一些仰望星空的人才有希望，但也需要更多的人腳踏實地，解決實際問題才能屹立不倒，這也是牛智川團隊對自己的定位?！拔覀兊难芯恳欢ㄒc國家、經濟目標以及人類生存需要相結合?！迸Ｖ谴ㄕf道。

國家重點研發(fā)計劃量子專項、國家自然科學基金重大項目、國家重大科學研究計劃納米專項……這些年來，以國家需求為目標，牛智川團隊承擔的國家重點任務越來越多，但立足點始終只有一個——銻化物半導體。

銻化物半導體技術發(fā)展物理內涵豐富，既有經典光電效應，又有前沿拓撲量子效應，研究方向包括高性能紅外激光器、高靈敏多波段探測器、超高速微電子集成電路、熱電制冷器件等，應用前景廣闊。

“當前，半導體技術的代際更替已經進入了微電子與光電子技術的并重發(fā)展時代，銻化物窄帶隙半導體呈現(xiàn)出第四代半導體光電芯片技術發(fā)展的重大潛力?！?023年7月，國家商務部明確將銻化鎵（各種形態(tài)）材料均列入對外實施出口管制清單，充分證實了該銻化物材料體系在國家核心技術競爭中的重大戰(zhàn)略價值。牛智川說，他們未來的發(fā)展目標將以銻化物半導體光電材料與芯片為中心，面向智能化信息技術新時代廣泛需求，建設完整的技術創(chuàng)新與產業(yè)制造鏈條，為國家強盛和社會發(fā)展貢獻點滴之力。