郝跃发现半导体材料“新大陆”

郝跃院士（中）在实验室工作。张曦摄

魏杰治印

　　本报记者 吕扬

　　我们现在的生活几乎不能和半导体脱离关系，手机、电视机、电脑包括灯，都有半导体器件在里面工作。正如互联网改变了世界，半导体则影响着世界发展的进程。

　　如果把半导体材料比作田地，集成电路就好比在这片田地上合理地种植作物，而种植了作物的这片“农田”就是芯片。“土质”的优劣，对芯片产量和品质至关重要。

　　“谁掌握了我们的芯片，谁就掌握了我们的信息空间。信息空间虽然呈现为多维的、抽象的、不可见的，但却实实在在地影响着我们的生活。人们在这个空间一旦失去自由，就没有安全感。”5月10日，西安电子科技大学宽禁带半导体材料首席专家郝跃院士再次郑重地重复了他当选院士时说的话。

　  学人小传

　 郝跃，1958年3月生于重庆市，籍贯安徽阜阳，中国科学院院士、微电子学家。1982年，郝跃毕业于西安电子科技大学半导体物理与器件专业，1985年获西安电子科技大学半导体物理专业硕士学位，1990年在西安交通大学计算数学专业获博士学位，现为国际IEEE学会高级会员，中国电子学会常务理事，担任国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006—2020年）“核心电子器件、高端通用芯片和基础软件产品”科技重大专项实施专家组组长，总装备部微电子技术专家组组长，国务院第七届学科评议组（电子科学与技术一级学科）召集人，国家电子信息科学与工程专业指导委员会副主任委员。郝跃长期从事新型宽禁带半导体材料和器件、微纳米半导体器件与高可靠集成电路等方面的科学研究与人才培养，是国家重大基础研究（973）计划项目首席科学家、国家有突出贡献的中青年专家和微电子技术领域的著名专家。他在氮化镓∕碳化硅第三代（宽禁带）半导体功能材料和微波器件、半导体照明短波长光电材料与器件研究和推广、微纳米CMOS器件可靠性与失效机理研究等方面取得了系统的创新成果，曾获国家技术发明奖二等奖1项，国家科技进步二、三等奖各1项。 

　  十年冷板凳“坐出”先发优势

　　国内对宽禁带半导体的研究，始于上世纪90年代中后期。那时候，相关领域的科学家和技术人员还在想着各种各样的办法，把电路更好地集成在硅半导体上。

　　“要寻找新的研究方向！”当时，郝跃教授敏锐地觉察到这一点。经过研究和考察，国际上刚刚起步的宽禁带半导体材料与器件研究，成为郝跃及其团队新的研究方向。

　　在这个冷门领域里，郝跃团队孤独奋战了近十年。直到2005年前后，国内宽禁带半导体产业开始发展之时，西电的宽禁带半导体研究已经有了深厚的积累，还出版了国内最早探讨宽禁带半导体的专著《碳化硅宽带隙半导体技术》。

　　2004年，宽禁带半导体材料与器件教育部重点实验室正式挂牌，这个专门的机构为更深入地进行科学研究提供了有力支撑。十几年过去了，郝跃团队的实验室在科研成果、人才队伍培养、成果转化等方面取得了一系列成果：获得2项国家科技进步奖二等奖、4项陕西省科学技术一等奖、1项国家级教学成果奖二等奖、1项陕西省教学成果奖特等奖，发表430余篇SCI和EI论文，获得授权发明专利近300项……一条拥有若干项自主关键技术、最高洁净度达百级的宽禁带半导体超净工艺研发线的建成，成为西电的一张“科研名片”。

　　郝跃和团队成员经常这么说：“我们相信自身的实力。我们的目标在更高更远处。”

　　在微观世界探寻宽广天地

　　半导体的导电性能介于导体和绝缘体之间。半导体作为集成电路的基底，人们希望它能够导电，却又不希望它在高温、强辐射的作用下失去绝缘的特性。然而在大功率器件里、在外太空中，高温和强辐射难以避免。因此，人们只好寄希望于半导体材料自身很“靠谱”，能够稳稳束缚住“自由自在”的电子，保持绝缘的特性。

　　宽禁带就是这个“靠谱担当”。禁带是固体物理的一个基本概念，它的宽度决定了半导体更偏向于导体性质还是绝缘体性质。禁带宽度越大，半导体的性质越偏向于绝缘体。宽禁带就像一道“鸿沟”，让被注入了来自热量或辐射能量而“兴奋”起来的电子跨不过去，保证材料绝缘性更好。所以，这种材料也就能够耐高温、高压和强辐射。反之，禁带宽度越小，当受到外力作用时，电子也就越容易跨过去，从而使材料更偏向于导体。

　　生长出高质量的宽禁带半导体材料，通过一系列工艺技术做成宽禁带半导体器件，进而制成集成电路，再把它推广出去应用到我们的生产和生活中，这就是郝跃团队的使命所在。

　　从微观世界回到现实生活，宽禁带半导体已然“飞入寻常百姓家”。在照明领域，尽管红、绿色发光二极管在上世纪中叶已经问世，但照亮世界的白色光源因为缺少三原色之一的蓝色而无法合成。直到上世纪80年代末，这一技术难关才被攻克，这得托第三代半导体材料氮化镓的福。没有它，就没有蓝光LED，白光LED也就无从谈起。

　　除此之外，在微波通信、供电等领域，第三代半导体更是有着极大的作为空间。比如5G通信。第一代半导体材料硅，是现在市场上大部分手机集成电路所用的材料。随着手机越来越“万能”，特别是5G时代的到来，硅已然没有办法承担大功率运转、高带宽速度的重压了。在这一点上，氮化镓很擅长。

　　宽禁带半导体器件就如同建筑行业的钢筋水泥一样，广泛应用在我们身边的电力、电子产品中。它小小的身躯，为环境友好型、资源节约型社会建设提供了巨大支持。

　　成果转化造福社会

　　作为在国内外宽禁带半导体方面具有重要影响的研究基地，郝跃团队一直在服务国家重大需求，多次斩获国家科技进步奖。2015年，郝跃团队攻破“氮化镓基紫外与深紫外LED关键技术”，实现了我国在该领域的重大突破，这项技术被评价为“达到了国际先进水平”。

　　紫外线，我们都不陌生。紫外杀菌、紫外验钞等都是我们熟知的应用领域。不过，这种紫外光的产生，需要在真空灯管中由电子束为卤素注入能量。所以，我们看到的紫外线灯体积都很大。但这种紫外光发光效率低、能耗也大，同时卤素会对环境造成污染。完美解决上述问题的，是紫外与深紫外LED。这种器件的制造基础，是以氮化铝和氮化镓为代表的半导体材料。然而，要想实现紫外与深紫外LED的最佳性能，这种半导体材料的生长绝非易事。

　　从材料上来说，短波长需要靠提高铝镓氮中铝的比重来实现。但是铝的增加，加剧了它与其他成分（氮、镓）之间的相互作用，使得这种半导体材料表面粗糙、缺陷增大、电阻增加，光的折射率提高，进而严重影响紫外LED发光效率。如何在尽可能提高铝的比重的同时，使材料的缺陷程度降至最低，并且保证电路畅通，减少光线的折射，这正是郝跃院士和团队花费十余年心血攻克的难题。随着这些核心问题的解决，郝跃院士和团队在材料生长方法、高效率器件结构等方面也取得了创新性突破，获得中国和美国授权发明专利22项，相关半导体器件性能达到了国际最高水平。

　　现在，1千瓦紫外LED和传统的3.6千瓦紫外荧光灯照明效果一样，能耗却降低72%，寿命自然也延长不少，更重要的是避免了重金属污染。通过产学研合作转化，50余家芯片、封装及应用企业应用了该项目的技术和产品。紫外LED器件、紫外灯管、紫外光源模组等产品已经在电子产品制造、印刷、水净化、医疗、农业等领域有所应用，为主要用户创造了近十亿元经济效益。

　　目前，郝跃团队依然在为更低能耗、更优性能的半导体材料奋斗着……

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