穿越日盲區

王涵

240～280nm是一個特殊的波段。當這一波段的紫外光穿過大氣層時，其光子目標信號會和臭氧層產生的強烈“反應”，幾乎被吸收殆盡。這樣一來，該波段的太陽光信號，在地表幾乎完全不存在，形成了一個天然“日盲區”。如果地球上探測到該日盲波段信號即表示有特殊事件的發生。

要知道，除了強閃電之類的異常現象，槍支開火、炸藥爆炸、火災和高壓輸電線漏電等都會產生日盲信號。而日盲紫外信號非肉眼所見，如何把這些隱匿在日盲區內的危險信號找出來？如何讓它們的“形象”顯示在人前？已經是國際公認的軍事制高點，被視為電子領域的尖端技術。

“由于日盲紫外技術在紅外紫外雙色制導、導彈識別跟蹤、艦載通訊等國防領域具有重大戰略意義，西方國家對我國實行嚴密核心技術封鎖。我們必須通過自主創新，開辟新的技術路徑。”張榮說。近日，他們團隊的“先進日盲紫外探測與應用技術”剛剛被授予2016年度國家技術發明獎二等獎。而他和項目組在做的就是穿越日盲區的限制，拓展其應用前景。“除了國防，這項技術在電網安全監測、醫學成像、海上搜救、環境與生化檢測等民生領域也有重要應用。”

劍指“三高”，引領日盲紫外探測潮流

高靈敏日盲紫外光子信號探測是世界性難題。但究竟為什么探測困難7通過張榮的科普，記者得知，日盲紫外光子目標信號傳輸損耗大、帶外噪聲干擾強，需要探測系統具備在日盲紫外帶外全波段10抑制比。也就是說，要在一千萬億個波長大于280納米的背景光子中探測到單個或者若干個日盲紫外光信號，無異于大海撈針。然而，就算日盲紫外探測與成像再困難，他們也希望有朝一日能夠做出應用級的技術。這一點，從他們決定投身該項研究時就明確了。

該項目是以新一代紫外探測器優選材料——Ⅲ族氮化物的晶體生長和能帶調控作為技術基礎的。這里所說的“Ⅲ族氮化物”主要指的就是AIGaN三元合金化合物半導體。

據介紹，高AI組分的Ⅲ族氮化物半導體的外延生長通常面臨著一些特殊的困難。究其原因，一是由于AI原子相對于Ga原子具有更大的粘滯系數，擴散長度小，難以形成二維生長模式；二是AI原子與作為生長氣源的NH3寄生反應嚴重，而氮化物半導體與現有的襯底材料之間也存在較大的晶格失配等問題。與此對應，在研究中就不得不面對AIGaN材料制備時存在的AI組分控制以及材料缺陷控制所帶來的挑戰。而隨著AI組分的增加，AIGaN材料Mg受主離化能偏高，研究者又必須解決另一個關鍵問題——獲得高空穴濃度的p型AIGaN。

為此，團隊發明了調控異質界面應力的新型插入層、抑制寄生反應的源流量控制、提高激活率的p型摻雜等技術，實現了低缺陷密度和高空穴濃度的日盲波段AIGaN材料制備。與原有技術相比，他們的方法使得材料位錯密度降低了1～2個量級，空穴濃度提高了1個量級，完全可以擔當起高靈敏度日盲紫外探測器件研制的技術后盾。

高性能材料問題解決了，接下來就該是如何提高先進日盲紫外光電探測器件的靈敏度了。

一般來說，Ⅲ族氮化物半導體具有強達MV/cm量級的壓電極化和自發極化效應.對器件的光電性質有極其重要影響。張榮團隊要設計氮化物器件，自然也不會放過這個必須考慮的重要因素。他們認為，如果善加利用，可以取得奇效。事實證明，他們創立的極化增強探測器設計理論的確是一個潛力股。在該研究中，他們碰撞出一個重要的靈感——通過p型層/倍增層異質結將極化場引入雪崩光電探測器（APD）的倍增層。

“APD的性能主要體現在雪崩增益和暗電流這兩個關鍵參數上。新一代半導體材料Ⅲ族氮化物的日盲紫外APD，由于高AI組分AIGaN材料存在較高缺陷密度和較低p型摻雜效率，為實現高雪崩增益和低暗電流帶來巨大的挑戰。”項目組一致認為，這種新的倍增層結構一舉數得：既可以提高倍增層電場和降低雪崩擊穿時的外加偏壓，也能夠降低雪崩擊穿時暗電流，實現極化增強日盲紫外APD。與無極化增強的傳統AIGaN雪崩光電探測器相比，新結構能夠將雪崩倍增因子提升兩倍以上，從而使器件主要性能參數增益和暗電流均達到目前國際公開報道的最好值。

在他們看來，要實現真正的高靈敏度，探測器還需要其它有助于提高靈敏度的增強結構。為此，他們對業內一直沿用的雪崩結構進行了創新，提出了加速區和倍增區分離的新結構，這種結構既可以大大降低雪崩噪聲，同時降低了材料制備難度，增加了器件設計靈活性和工藝可重復性。他們還提出了AIGaN分布布喇格反饋結構生長的界面控制技術，首次研制出具有高晶體質量和平坦陡峭界面的三層周期日盲紫外共振增強結構，有效解決了傳統的高低折射率兩種材料晶格失配和折射率差之間的矛盾，實現了具有高反射率的日盲紫外反射鏡。對張榮團隊來說，他們的作為無疑是為高靈敏紫外光電探測器開拓了一個新的方向，成為潮流的引領者。

經過層層鋪墊，張榮團隊終于走到了實現高精準度日盲紫外定位成像技術這一步。前期調研之后，他們發現傳統日盲紫外探測器最大的缺陷在于帶內靈敏度相對較低、帶外噪聲高，這直接導致日全盲級單光子靈敏度紫外定位成像技術前行無力。

“國際上只有以色列實現了日全盲級單光子靈敏度探測成像技術，但對我國實行技術禁運。”時至如今，他們已經可以輕描淡寫地來面對這個問題。過去的十幾年中，張榮團隊提出高精準度日盲紫外定位成像算法，建立了日盲紫外靈敏度量化理論，解決了一系列難題，發展了具有單光子靈敏度的日盲紫外成像技術，實現了國產化，打破禁運，填補了國內空白，使我國成為繼以色列之后世界上第二個掌握該尖端技術的國家。

基于該成像技術，他們開發了具有國際領先水平的全天候電暈定位監測與電網安全預警系統，可以檢測pc級（10庫倫）的放電信號：此外，他們還發明了分米級高精度紫外定位導航技術，首次研發了港口船舶穿霧靠泊導航系統，從而開辟出日盲紫外精確導航這一新技術領域，被《科技日報》評為2015年我國十大核心技術第一名。

打破禁運，做好國產化應用

在國家技術發明獎申報書上，張榮團隊明確列出了三大發明點，即前文所述高性能AIGaN日盲紫外探測材料制備技術、高靈敏度日盲紫外光電探測器件技術、高精準度日盲紫外定位成像技術。

說是三點，卻是他們用30件授權發明專利和2項軟件著作權串聯起來的一整套自主知識產權鏈條。在此過程中，他們發表了SCI論文65篇，做國際邀請報告17次，產生了重要的國際影響。這一切，都是在為他們進行成果轉化創造條件。

早在2010年，項目組研發的高靈敏紫外光電探測技術就在南京白云化工環境監測有限公司進行了應用。自2012年起，該技術又被拓展到江蘇同庚、武漢嘉業恒科等數家企業。在2015年的驗收中，幾家企業均給出了“性能穩定”“維護簡單”“降低成本”等正面反饋，江蘇同庚在報告中更是表明，該技術“可完全取代進口”。

“這些企業將高靈敏紫外探測器用于太陽紫外線指數、火焰控制、紫外水凈化消毒監測等多個領域。”團隊成員介紹說。但這還不算他們的“主打”轉化途徑，他們的成果主要用于國防紫外探測、電網安全監測和港口船舶靠泊導航等領域。

2011年，中國電子科技集團公司就在整機系統中做了大膽嘗試，至今已經運行了5年多。經過量產實施后，該器件組件在江蘇南大五維電子和紫峰光電科技等單位進一步轉化，得以廣泛應用，打破了國際上對我國的技術封鎖，突破了產業化關鍵技術。

談到電網安全監測，就不得不提到紫外檢測的又一重好處。它能夠在電網故障早期發現漏電，而傳統的紅外、超聲等技術手段要到漏電后期才能監測到電暈信號。這種超前的敏感性也是利用其研發全天候電暈定位監測與電網安全預警系統的重要因素。

在產學研協調下，該系統在江蘇南大五維電子和紫峰光電科技公司華麗變身，成為量產型的“日盲紫外電暈檢測儀”。目前，該產品已在江蘇省電網公司電力科學研究院、國網四川電力公司電力科學研究院等多家單位得到了應用推廣。在進口產品占主導的國內市場上，日盲紫外電暈檢測儀以“成像效果良好，電暈型號成像清晰，便于攜帶，方便巡檢人員的檢修工作”等優勢.迅速立足，并掙得一席之地。到2015年.該產品在電力市場上的占有率已經高達30%。

隨著這股勢頭，南大五維也承擔起電力行業標準《高壓電氣設備放電監測用紫外電暈監測儀技術條件》和國網企標《電力設備帶電檢測儀器技術規范第3部分：紫外成像儀技術規范》的編寫工作，為日后國內紫外產品市場的有序發展做出了重要貢獻。

南大五維與項目組的合作不僅如此，高精度日盲紫外定位導航技術也是通過這個“小伙伴”完成產業轉化的。他們研發的港口船舶靠泊導航系統可以實現在任意復雜環境下高精度、實時定位導航。對近年來頻發的霧霾天氣來說，這無疑是船舶安全入港靠泊的福音。

據介紹，傳統方式進行定位導航的模式，在面對能見度低于1000米的霧霾情況時就步入了不確定狀態。但他們研發的日盲紫外穿霧定位靠泊導航技術能夠在可視度極低的復雜環境中直觀成像，同時計算船舶自身的準確方位和姿態信息，從而解決惡劣環境及氣候下精確靠泊導航的世界難題。2012年起，該技術已經在青島港進行了數十次港口靠泊試驗，真正實現了全天候全時可視的精確導航，將大型船舶的港口靠泊精度創紀錄地提高到距離誤差小于60cm，角度誤差小于0.1度的全新水平。這是中國創造，也是世界首創，他們的“杰作”將原來約15%船艦不能在霧天靠泊碼頭的變成了全天候運轉。

這些只是“先進日盲紫外探測與應用技術”在推廣路上的一個個縮影。事實上，通過近幾年的量產，他們已經推出了多種規格的紫外探測和成像產品。而僅僅3年，這些產品就已經產生了直接經濟效益7318.72萬元，間接經濟效益超過6億元。與張榮團隊合作的應用單位，也都成為我國日盲紫外探測與成像產品的主要供應商。在他們的努力下，國產日盲紫外探測與成像產品打了一場漂亮的翻身仗，“國際禁運”終于成了一紙空談。

研路漫漫，唯熱愛與專注同行

當張榮和團隊緊鑼密鼓地忙于研發和轉化時，時間似乎總是不夠用。而當他回首來時路，在項目書的起始時間一欄填寫上“1998年1月1日”時，才注意到，為了先進日盲紫外探測與應用技術系列，他已經走過了19年光陰——從1998年年初開始至今。

正是有了這十幾年的努力，他們的項目成果才得到了美國加州大學伯克利分校、英國劍橋大學等一大批世界著名高校及科研院所的高度評價，就連德國AIXTRON公司、美國Vecco公司以及韓國三星等高科技企業也對之表示了濃厚的興趣。尤其是紫外探測器件好評如潮，Semiconductor Today兩次進行專門評介，Compound Semiconductors更是直接表示AIGaN日盲紫外探測器具有“創紀錄的低暗電流”。直到2016年1月教育部科技查新工作站查新時，他們的眾多性能參數依然遙遙領先。

這條漫長的攻關道路上，張榮團隊的工作得到“973”計劃、國家重點研發計劃、國家自然科學基金重大/重點項目以及國防專項等數項支持。通過這一系列項目，他們培養出博士42名、碩士75名、工程師6人，高級工程師2人，為紫外探測、成像及應用技術的發展推出了一批創新人才。他本人也當選教育部長江學者獎勵計劃特聘教授。

除了攻克先進日盲紫外探測與應用技術外，張榮還率領團隊在我國首個固態照明領域國家“973”計劃的支持下，開展了半導體固態照明用超高效率氮化物LED芯片基礎研究。到2015年結題時，該項目部分成果被世界權威雜志評述為“提高LED發光效率的開創性成果”，外延芯片技術成果打破了高端產品完全依賴進口的局面，提高了我國在半導體照明領域的國家競爭力。其中的高端LED芯片技術、圖形襯底技術、新型電極技術等也已經在相關企業產業化。

顯然，對張榮來說，他的科研生涯中不只有日盲紫外探測研究，但直到今天，他也沒有忘記過對日盲紫外探測與成像技術的思考。“這是一項新技術，特別是我國才剛剛起步，有關紫外光電檢測方法的行業標準尚不健全，制約了它的發展。”他更希望的是，在國家已將該技術列入“十三五”重點研發計劃的今天，他和團隊在提升技術水平與推進尖端應用上做出新一輪的突破。