宋波：奮戰在寬禁帶半導體新時代

高妍+鄭聲宇

它被稱為固態光源、電力電子、微波射頻器件的“核芯”。

它具有高擊穿電場、高飽和電子速度、高熱導率、高電子密度、高遷移率等特點，可實現高壓、高溫、高頻、高抗輻射等能力。

它的應用范圍覆蓋半導體照明、新一代移動通信、智能電網、高速軌道交通、新能源汽車、消費類電子等朝陽領域。

它被視為未來支撐信息、能源、交通、國防等產業發展的重點新材料，將引領光電產業的新一輪革命。

它就是以碳化硅（SiC）、氮化鋁（AlN）、氮化鎵（GaN）等為代表的第三代半導體材料，如今世界各國爭相布局的戰略高地。

在世界范圍內，第三代半導體材料在各個領域的產業成熟度各有不同，在某些前沿研究方向，仍處于實驗室研發階段。盡管我國起步較晚，發展較緩，無論基礎研究還是產業化推進都仍有很長的路要走，但這并未影響該領域內科研人員潛心攻關、奮起直追的決心。

哈爾濱工業大學基礎與交叉科學研究院宋波教授，就是奮戰在我國第三代半導體材料研究最前沿的優秀科研人員之一。

他長期從事第三代寬禁帶半導體材料的生長與物性研究，凝練了氣相質量輸運動態平衡控制及溫場調控等關鍵科學問題，對碳化硅、氮化鋁等光電功能晶體生長過程的動力學優化、關鍵工藝參數控制與物理性質調控等相互關聯的科學問題開展了系統研究，成果頗豐。

雛鳳新聲，結緣寬禁帶半導體

一代材料，一代器件，一場革命。材料的重要性，在半導體產業已經得到印證。

以硅（Si）為代表的第一代半導體材料，引發了電子工業大革命；以砷化鎵（GaAs）為代表的第二代半導體材料，則拓展了半導體在高頻、光電子等方面的應用，使人類進入光纖通信、移動通信的新時代。而如今，正是第三代半導體材料“大展身手”的時代。

第三代半導體材料又叫寬禁帶半導體，是指禁帶寬度大于2 eV（電子伏特）的一類半導體，以碳化硅、氮化鋁、氮化鎵、立方氮化硼（C-BN）等為主要代表。它們所表現出的高溫下的穩定性、高效的光電轉化能力、更低的能量損耗等絕對優勢，吸引了業界的普遍關注，有望全面取代傳統半導體材料，開啟半導體新時代。

宋波進入這一領域是在博士階段。那是2005年前后，他正就讀于中國科學院物理研究所，師從我國著名晶體結構專家陳小龍研究員開展研究。當時國內寬禁帶半導體研究起步不久，各項研究都非常薄弱。

2008年，宋波回到家鄉哈爾濱，并在哈爾濱工業大學韓杰才院士引薦下加入該?；A與交叉科學研究院。在這里，宋波確立了寬禁帶半導體生長與物性研究這一研究方向，立志從基礎研究領域著手，改善我國關鍵性、基礎性戰略材料依賴進口的局面，促進寬禁帶半導體材料和器件產業的發展，提升產業核心競爭力，縮小與西方國家的差距。

在近十年的研究過程中，宋波作為課題負責人承擔了包括國家自然科學基金項目、總裝“十二五”預先研究重點項目、科技部國際科技合作項目等在內的20多項科研項目，在J. Am. Chem. Soc.， Nano Lett.， Phys. Rev. Lett.， Adv. Funct. Mater.， Phys. Rev. B等國際著名SCI學術雜志上發表論文100余篇，論文被正面他引1000余次；獲得授權發明專利13項。特別是在SiC基稀磁半導體和AIN基晶體生長研究方向，取得了一系列創新性成果，引領了國內外相關研究的進步，在行業內形成了一定的影響力。

層層深入，攻關SiC基稀磁半導體

稀磁半導體是自旋電子學的材料基礎，能夠同時利用電子的電荷屬性和自旋屬性，兼具半導體和磁性的性質，新穎而獨特，是第三代半導體材料的熱點研究之一。

現階段，GaAs、GaN和ZnO基稀磁半導體的研究已經取得了突破性進展，但仍無法滿足人們對自旋器件高溫、高頻、大功率和抗輻射等性能的要求，SiC基的出現恰逢其時。宋波在這一前沿方向進行了廣泛而深入的研究，并取得了系列研究進展。

他提出了非磁性元素Al摻雜制備SiC基稀磁半導體，在200 K觀察到了玻璃態的鐵磁有序，同時實現了4H-SiC晶型的穩定可控。首次提出了非磁性元素摻雜AlN基稀磁半導體的研究思路，有效地避免磁性雜質的引入，為探討稀磁半導體的磁性來源提供了理想的實驗體系。

論文在2009年發表后，至今已被他引50余次，得到不少業內專業人士的直接認可，認為其啟迪了思考。中國科學院外籍院士C.N.R. Rao教授就曾在論文中直言：宋等的工作顯示了鐵磁性不是來自磁性雜質而是來自于sp3雜化向sp3-sp2混合雜化轉變的過程中所導致。

隨著研究的不斷深入，宋波的研究也漸入佳境——

同樣在2009年，他利用在h-BN中的實驗結果證實了美國布法羅州立大學Peihong Zhang教授等人的理論預言，即在帶隙寬度達5.5 eV的h-BN中存在缺陷直接誘導的內稟磁性。這一成果獲得了包括波蘭科學院物理研究院O. Volnianska教授在內的業界專家的正面引用和廣泛認可。

2010年，他提出了雙元素（Al，TM）復合摻雜SiC基稀磁半導體的研究思路。在Al摻雜穩定4H-SiC晶型的基礎之上，同時摻雜磁性過渡金屬元素，來獲得高Tc、高矯頑力和高剩磁的稀磁半導體。

2011年，他提出了采用缺陷工程調控半導體磁性的新方向。與合作者一起采用中子輻照在碳化硅晶體中誘導出了以硅-碳雙空位為主的缺陷，在實驗上給出了硅-碳雙空位導致鐵磁性的證據，并從理論上揭示了雙空位產生磁性的物理機制，證實了磁性元素并非半導體磁性的唯一來源，為深入探究寬禁帶半導體的磁性起源提供了新的科學認識。在此之后，國內外有超過18個研究小組開展了缺陷誘導半導體磁性的研究工作，并在相關論文中引用了他們的成果，將其列為缺陷導致磁性的典型例子。

把握前沿，初探AIN晶體生長

AlN基的高溫、高頻、高功率微波器件是雷達、通信等現代化軍事和航天裝備等領域急需的電子器件。

宋波介紹，與其它的半導體材料相比，AlN基低維材料的形貌較為單一，這導致對其新性質和新應用的探索受到了較大的制約。

因此，深入開展生長動力學研究，探究生長過程中質量輸運-溫場分布-成核動力學的內在關聯，從微觀機理上闡述物性變化的原因，探索新奇物理效應，成為制約寬禁帶半導體發展的關鍵科學問題，同時也是一項亟待開展的基礎性研究工作。

在這一研究方向，宋波同樣取得了不俗的成績——

（一）在AlN機理生長方面，首次發現本征的六重螺旋生長機制。

他獲得了單晶AlN納米和微米彈簧、AlN螺旋結構、AlN平面六邊形環等新穎納米結構，系統性研究首次發現AlN納米/微米結構和AlN單晶都遵循六重對稱的旋轉生長機制。

這一發現極大地豐富了人們對于AlN晶生長機理的認識，對調控AlN生長形貌，獲得大尺寸、低缺陷密度的AlN晶體具有重要參考價值。

（二）在AlN新物理性質探索方面，他首次在AlN微米螺旋結構中發現了時間長達300秒的長余輝效應。

研究中，他分別從理論和實驗上對AlN螺旋結構中氮空位和鋁間隙耦合效應進行了研究。首次發現氮空位和鋁間隙的共同作用會誘導出新的能級，進而導致長余輝效應的顯現。這一發現，豐富了人們對于AlN基本物理性質的認識，為設計和制造新型AlN基光電子器件提供理論指導。

在AlN納米線螺旋結構的力學測試中首次發現了AlN單晶螺旋中存在彈性形變。該發現為制備AlN基納米器件提供了進一步的認識。

（三）在AlN晶體生長方面，突破了多項關鍵技術，包括形核溫度控制技術、晶粒長大過程控制技術、形核控制技術等。

研究中，宋波掌握了包括電阻率及均勻性控制技術、多型缺陷濃度控制技術以及晶體質量穩定性控制技術等在內的多項關鍵技術，獲得了高質量的晶體材料。

他所獲得的直徑達35mm的雙面拋光片，位錯密度小于107個/cm2，申報了國家發明專利7項，研究水平居于國內領先地位。

他重新設計和研制了全鎢的晶體生長爐、AlN原料原位補充系統和垂直梯度坩堝。試驗結果表明，采用新的生長組合系統大大提高了AlN的晶體質量，其中AlN晶體的主要缺陷密度，特別是O（氧）含量降低了約3個數量級，電阻率提高了約2個數量級，為進一步獲得高質量的AlN晶體提供了技術支撐。

多年來，宋波非常在意與國際學者的交流與合作，不僅承擔了科技部國際科技合作項目，還在多年的研究中與美國威斯康星大學麥迪遜分校Song Jin教授、西班牙科爾多瓦大學Rafael Luque教授建立了廣泛的合作關系。特別值得一提的，是在對俄對烏合作方面，宋波與俄羅斯科學院固體物理研究所國際知名晶體學家Vladimir Kurlov教授、國際SiC晶體生長專家Yuri Makarov教授，以及俄羅斯科學院西伯利亞分院半導體研究所的Oleg Pchelyakov教授、Valerii Preobrazhenskii教授建立了密切的合作關系，曾多次出訪俄羅斯與烏克蘭相關科研機構，為推動雙方的科技交流合作作出了重要貢獻。

因表現突出，宋波獲得了2009年黑龍江省自然科學一等獎、2009年黑龍江省高校自然科學一等獎等榮譽；得到了教育部“新世紀優秀人才”計劃、哈爾濱工業大學“基礎研究杰出人才培育計劃（III類）”和“青年拔尖人才選聘計劃（教授類）”的支持；并在三年內連續兩次獲得副教授和教授的破格提升。2016年，宋波被評為哈爾濱工業大學“先進個人”。

最近，宋波又收獲一個好消息。在今年，他將作為訪問學者由國家公派赴美國威斯康星大學麥迪遜分校進行為期一年的學習、研究。

宋波相信，那是一個更廣闊的天地，那里更接近世界先進水平，他能汲取更多、收獲更多。在宋波看來，理想很近，未來不遠。