為了中國的半導體事業

陳道隆 高妍

她出生在河北樂亭，他來自河北文安。

她是清華大學第一批半導體專業高材生，他是北京大學物理系半導體物理專業畢業生。

她是我國早期微電子學研究的開拓者之一，他是我國半導體光電子研究的領軍者之一。

她是中國科學院院士、中科院微電子研究所研究員吳德馨，他是中國科學院院士、中科院半導體研究所研究員王圩。

從參加工作到今天，歷經近60年風雨，他們始終把為祖國半導體事業的發展奉獻力量作為奮斗的目標。共同的理想與追求讓他們走到一起，漫長而艱苦的科研路上，他們選擇相互扶持，共伴一生。

今天，我們一起走近這對院士伉儷的“半導體人生”。

日以繼夜覓高峰

從上世紀60年代開始，他們的研究重點一直在變。

從晶體管器件，到集成電路存儲器，再到化合物半導體器件與集成電路，最后到如今的垂直腔面發射激光器，吳德馨院士的研究歷程豐富而扎實。而王圩院士也從最初的硅材料研究，轉變為后來的化合物材料與器件，最后投入半導體光電子功能材料和光子集成器件的海洋，深挖至今。

無論研究重點如何轉移，研究手段如何變化，他們始終堅持服務于國家的戰略需要，服務于我國半導體產業的發展需求。在超過半個世紀的時間里，他們潛心篤志、日夜求索，所奉初心始終如一——為了中國的半導體事業。

記者：半導體產業是國家的命脈產業，這一認知如今已成為全民共識。您二位都是從上世紀六十年代就開始從事半導體材料與器件相關研究的，當時我們國家的半導體產業處于怎樣的水平？

吳德馨：我們倆都是上世紀60年代初大學畢業，學的都是半導體，一畢業就都分到了中科院半導體研究所。他（王圩）1960年，我1961年大學畢業。半導體所是1960年剛剛成立。

1956年，咱們國家開始編制《十二年科學技術發展規劃》，也就是《1956～1967年科技發展規劃》。這是新中國第一個長期科技發展規劃，提出了當時國家新技術發展的“四項緊急措施”——計算機、電子學、半導體、自動化，要求相關部門集中全國科技力量，進行人員培養和科技攻關。中科院物理研究所半導體研究室就是在這個背景下成立，到1960年，以研究室為基礎，擴大為中科院半導體研究所。

那時候全世界的半導體技術都剛剛興起，我們的老一輩科學家們也都看到了半導體的發展趨勢。當時規劃里也提出了半導體發展的幾項任務，器件方面就有高頻晶體管、高速開關晶體管、低反向電流二極管等等。我們剛畢業到半導體所之后，就是做“十二年規劃”提出的任務。

當時一無資料，二無圖紙，全靠自己摸索研究，但我們還是提前完成了任務。可以說我們那時候并不太落后，起步不晚，做得速度也不慢。

記者：兩位具體做了哪些工作呢？獲得了哪些代表性成果？它們對之后的相關研究或產業發展產生了怎樣的影響？

吳德馨：我最開始在王守覺先生領導下負責做硅平面型高速開關晶體管，做出來之后開關速度、閾值電壓等指標跟國際同類產品水平差不多，后來推廣到了109廠（我國第一個半導體器件生產廠），又推廣到全國，當時13所、上海元件五廠都到我們所來學習過。這個器件后來還用到了“兩彈一星”用的計算機——109乙機上，經濟效益和社會效益都不錯。

1975年，半導體所開始做大規模集成電路，我們就做出了4K位的動態存儲器，又在1980年做出來16K位，后來又完成了64K位動態隨機存儲器。那時候國際上集成電路發展很快，雖然我們的研究速度也很快，用一年時間做出了國際上三年才完成的工作，但我們的設備一直比較落后，所以生產就有困難，成品率的性能也確實不如國外。

改革開放以后，我們改做專用電路，在1980年代末期自主開發成功了3微米的CMOSLSI全套工藝技術，用于專用電路的制造。從3微米，到2微米、1微米，再到0.8微米……這么一直做下來。在1990年代，我們又獨立自主開發出了全套的0.8微米CMOS工藝，并應用于實用電路的開發。

我們還研究開發以砷化鎵為基底的化合物半導體器件、電路。蘇聯解體以后，國內外很多做砷化鎵的軍用、民用項目都下馬了，但我覺得砷化鎵是一個必然的趨勢，它有很多優點，比如速度快、功率大、抗輻照等，我當時是副所長，就向院里申請了40萬塊錢，準備做起來。

但項目拿到之后沒人愿意牽頭做，都覺得沒什么前途，沒辦法我就帶研究生自己做。現在看來，我們方向選對了。大量的手機里的功放需要砷化鎵，民用這個大市場熱起來了。也就從這時候，我轉到了化合物半導體材料和器件研究。

我們做得還不錯，成果也不少，比如做出了0.1微米砷化鎵/鋁鎵砷異質結高遷移率場效應晶體管，截止頻率達89GHZ;研究成功了砷化鎵/銦鎵磷異質結雙極型晶體管（HBT），截止頻率達92GHZ;還在國內首先研制成功了全功能砷化鎵/銦鎵磷HBT 10Gpbs光纖通信光發射驅動電路等等。

10年前，我把化合物這一塊交給了學生，改做光電集成。這是一個新的發展方向，光和電總是不可分的，光需要電來驅動，又需要電來探測，光電集成就是把電子和光子器件集成在一個芯片上。我們利用MEMS結構實現了激光器和光纖的無源耦合，成功做出了工作速度達2.5Gpbs的光發射模塊。

做光電集成得有光發射器件，面發射激光器具有其固有的二維集成的優點，它面向數據中心和超級計算機內部光互聯應用，能夠最終實現高密度光電集成。我們就又做垂直腔面發射激光器（VCSEL），現在單管速率做到了25Gpbs，面陣做到了300多個器件，還不錯。

記者：王院士您呢？您是從什么時候開始做激光器研究？又取得了哪些代表性成果？

王圩：我最初做硅材料，研究硅單晶，后來根據國家需要開始做Ⅲ-Ⅴ族化合物，做外延研究，就是研究在一個襯底上做幾個微米的Ⅲ-Ⅴ族化合物薄膜，后來又在這個基礎上做擴散p/n結化合物激光器。我一開始是在材料室，只做材料，但做的過程中發現激光器的結構和材料的生長是分不開的，在材料生長的過程中就把一部分器件結構長出來了，所以既要懂材料，又要懂器件設計，兩者密不可分，還是放在一起比較好，于是我就調到器件室了，又做材料又做器件。

我們開始激光器研究，是在1979年底，比國際上開展得稍晚。20世紀70年代末，美國MIT林肯實驗室的美籍華人謝肇金采用液相外延技術實現了InP（磷化銦）基1.31微米和1.55微米InGaAsp/InP雙異質結激光器的室溫連續工作。至此，光纖通信開始從0.85微米段波長的多模光纖傳輸向采用InP基長波長激光器為光源、以1.31微米零色散和1.55微米低損耗波段的單模光纖為傳輸介質的第二代光通訊體系過渡。

我們半導體所光電子研究室也在1979年底及時地開展了InP基長波長激光器的研究工作，成立了由彭懷德負責的1.3微米激光器研究組和由我負責的1.55微米激光器研究組。

通過調整InGaAsp四元體材料有源區的組分，摸索外延層結構和逐層摻雜濃度，解決器件的條形結構問題，我們于1981年率先在國內得到了室內連續工作的1.55微米激光器。

后來隨著國際光纖通信事業的發展，又面臨巴黎統籌會對我國先進科學技術和敏感產品的禁運，我們遵照國家在光電子發展的戰略要求調整了研究方向，一方面為滿足當時光纖通信的要求，自力更生地研究實用化的無制冷長波長激光器，另一方面著眼于探索未來大容量、長距離通訊發展用的光信號源。

在這樣的情況下，為了提高光通信的傳輸帶寬和傳輸距離，我們就必須開發出一種在高頻調制下仍然可以單模工作的動態單模（DSM）激光器作為光信號源。

當時受禁運的限制，不能引進MOCVD設備，用液相外延方法又面臨著選模用的、深度幾十納米的光柵結構被隨后外延生長時回溶的難關，我們為此進行了一系列的實驗，才找到了滿意的抗回溶技術，最終在1988年底，研制出了國內首批1.55微米動態單頻分布反饋（DFB）激光器，解決了國內發展第三代長途干線大容量光纖通信的急需。

到1990年代，我們又在國內首先研制成功了應變量子阱1.55微米DFB激光器，使中國光通信用激光器的研究和國際新一代能帶工程研究接軌。

近些年，我和同事們指導研究生利用半導體材料帶隙剪裁技術平臺，制作了瓦斯探測用的大應變量長波長1664nmDFB激光器，并已開始試用于煤礦安全系統，建立了用量子混雜（QWI）和選區外延生長（SAG）相結合的技術，研制成功10-25千兆碼率（Gb/s）電吸收調制的分布反饋（DFB）激光器和可調諧的電吸收調制DFB激光器發射模塊，奠定了在國內研制含有多個不同帶隙波長區域的單片多功能集成材料的基礎。在此基礎上，已經把我們的多型號器件轉移到了公司批量生產，并得到了國內知名通信系統制造商的認可。

愿學猛士唱大風

兩位院士都是很低調樸實的人，不吹噓成果，不炫耀獎勵，更不逃避面對問題。采訪中，我們深刻體會到了這一點。

吳德馨說，我個人不支持集成電路產業跟風上大線，應該先集中人力財力做成功幾條生產線，逐步推廣經驗再擴大建更多的集成電路生產線。

王圩說，我們需要的是得到市場認可的、過硬的成果，這不是發多少論文得多少獎可以判斷的。

…………

殷殷話語，切切希望，為的還是中國的半導體事業。

記者：作為業內專家，您二位對于我國半導體行業的可持續發展，有怎樣的建議？

吳德馨：現在行業里有這么個問題，凡是國外能買到的器件，國內就算做出來了也沒有企業愿意給試用。也確實是費人力費物力費時間，但我們要發展，總要有自己的東西，不試用怎么知道有什么缺點，怎么改進呢？希望我們自力更生研發出來的產品，能夠得到用戶的支持。

所以國家要有政策，能不能國家科技部給點補貼，鼓勵企業試用我們自己的研究成果。

王圩：還有一個情況，就是做器件的不如做系統的。因為賺錢的還是在后面，所以做系統的多，但真正打基礎的還是在器件。像中興、華為一出事，就覺得慌了，所以國家對基礎研究，還是應該更重視一些，多支持一些。

做應用研究，不是發文章湊個數就行的。我們需要的是過硬的東西，能夠經過市場檢驗、得到客戶認可的東西。根基要打牢，這樣才能慢慢解決眼下的困難。

記者：2018年5月，河北省政府辦公廳出臺《關于加快集成電路產業發展的實施意見》，河北省將以“固基強芯”為總體思路，補短板、強弱項，加快推動全省工業轉型升級。兩位都是河北人，對于家鄉的集成電路產業發展有哪些意見建議？

吳德馨：集成電路行業是國家一號召，全國都響應，好多地區上生產線。我個人不支持這樣做，覺得有幾點不合適。一是資金分散，投入太大。二是人才缺乏，特別是高端工藝制造人才和高級管理人才。集成電路產業跟別的行業不一樣，涉及到幾百上千道工藝，每一道都要求嚴謹精細，需要優秀的管理人才統籌協調。三是市場，我們國家的市場確實很大，但大部分被國外企業占據，本土企業大多在中低端市場生產，一時能競爭得過嗎？所以我希望國家能夠集中力量先搞幾條好線，等有了經驗再慢慢擴展。

對河北省來說，如果沒有這么大的財力、實力和人力的話，我建議，不一定建大線，可以做一些比較有特色的東西，比如做模塊。另一方面，可以借助老牌研究院所的技術優勢，比如石家莊的13所，他們長期為軍工服務，在氮化鎵領域做得很好。借助這些科研院所的力量，建設技術產品的上下游產業鏈，做出本省的特色。

記者：兩位都曾主持國家重要項目，也帶過團隊、學生，為國家培養了諸多優秀人才。在打造團隊、培養人才過程中，最看中的能力是什么？

王圩：我們做的是應用型研究，研究就是為了應用。所以我們研究組注重培養綜合型的人才，著眼于出去工作的時候能夠真正獨當一面。如果只讓學生專攻一項，是在“使用”學生，而沒有考慮到學生的發展與成長。

我們組對學生的培養是比較全面的，都是放手讓他們去做，培養他們獨立工作的能力，真正發揮他們的創造性。比如做MOCVD的生長，整個程序都要自己編、自己做、自己測試，最后做出器件，要全部能懂會用，這樣學生培養出來外面都很愿意要。

我們組現在大概有近30名學生在華為，都覺得挺好，有些已經能夠獨當一面。包括美國、英國、比利時、愛爾蘭等國家一些比較有名的公司和大學，也都有我們的學生在那里工作。這說明我們走的這條路是對的。

吳德馨：年輕人做事，應該有興趣，要熱愛自己的事業。有人說我沒興趣，太枯燥了。咱們的微電子事業這么重要，而且發展那么快，里面那么多值得鉆研的東西。某個很難的問題，你把它解決了，就會覺得心里充滿了快樂，這是多少錢都買不到的。這才是人生呢。所以我鼓勵他們，要熱愛我們從事的微電子事業。

記者：現在的優秀女科學家有點鳳毛麟角的感覺，社會上也有很多關于女科學家流失及高端缺位的討論，吳院士您如何看待女科學家缺位這一現象？對于化解女科學家的困境，您有怎樣的建議？

吳德馨：首先說明一點，現在女科學家做得比我們好的有得是，但也得承認，現在女科學家的總人數確實不如我們那一代人多。

我認為現在有些女同志有點不夠自強，自己就覺得不如男同志，這一點也跟大環境有關系。社會對女性的要求更偏向于家庭，但并不是只能犧牲工作才能兼顧家庭，那是把自己最好的東西犧牲了，埋沒了自己的才能。女同志要自立、自強，要有決心克服困難，當然，也要創造社會保障條件，幼兒園、小學、寄宿制等配套都要跟上，讓女同志沒有后顧之憂。

木棉與橡樹的呼和

“你有你的銅枝鐵干，像刀，像劍，也像戟;我有我紅碩的花朵，像沉重的嘆息，又像英勇的火炬。我們分擔寒潮、風雷、霹靂;我們共享霧靄、流嵐、虹霓。仿佛永遠分離，卻又終身相依。”

舒婷這首《致橡樹》，便是吳德馨與王圩兩位院士多年相互扶持、各自精彩的最佳注解。

記者：兩位是怎樣的機緣得以相識？

王圩：相識是很自然的過程。我們畢業之后都被分配到了半導體研究所。她在器件室，做硅的器件，晶體管之類。我在林蘭英先生領導下的材料室，最初來到所里是做硅單晶。他們需要硅單晶作為基片來做晶體管。她就總要到我們組里來要材料，這樣就認識了。

吳德馨：是，材料有了問題還得找他們研究改進，經常交流慢慢就有了好的印象。

記者：科學研究是漫長而艱苦的，您二位的科研歷程都已超過半個世紀。漫漫研究征程中，難題久攻不克的時候，如何保持初心與信心？

吳德馨：我們從小受共產黨的教育，做科研就是為了國家為了人民，這種責任感促使我們，拿到任務就是全身心的投入，就一定要做完、做到最好。用現在的話講，既然承擔了就要有擔當。

對我來說，這個工作我非常感興趣。有時候晚上睡不著覺就寫啊畫啊，就想著明天可以試試這個方案。對他（王圩）來說，就主要是責任，興趣是后來才培養的。

王圩：當年高考的時候，我第一志愿報的清華建筑系，后來中學黨支部找我，讓我改志愿學核物理，我才考了北大，轉了物理，本來想做建筑的。但學著干著，也就有興趣了。

記者：兩位都是科學家，都很忙，家庭如何兼顧？多年來如何相互扶持走到今天？

王圩：生活上沒得說，就是相互扶持。那時候搞研究也是加班加點，老人又年紀大了，家庭負擔比較重，孩子不到一歲就送了全托。

研究上，我做光電子，她做微電子，有很多地方可以互相交流。比如她現在做的垂直腔面發射激光器（VCSEL），有些就跟我們原來做的通信光電子器件差不多。所以我們會經常交流，我會給她提很多意見，在研究上互通有無。在家里也經常聊，有共同語言，能說一塊去。

吳德馨：就是互相支持吧。我忙了，他就負責家里的事，他忙了，就是我負責家里的事，互相理解。我當年做存儲器的時候，有時候就睡在實驗室地板上，不回家，孩子都是他管。

那一年他在日本做訪問學者，我在109廠做引進的進口設備驗收工作，自己帶著兩個孩子。每天早上來，晚上九點多才能回家，兩個孩子只能在外面小攤上買點吃的。我回不了家，也沒有電話沒法通知孩子，也沒汽車，要倒3次公交車才能到家，孩子就在大門口臺階上等。所以做完了4K，驗收完了真是全家歡呼。現在想起來，也覺得對不起孩子，對他們的關心不夠。

當然我倆也比較幸運，都畢業比較早，有很多好的機遇。能走到今天，跟自己的奮斗有關，也跟機遇有關，也離不開各位領導、老師們的指導和幫助。

記者：現在生活中有哪些興趣愛好？

王圩：我比較喜歡做一些攝影，看到比較好的景色就用手機抓拍一下。其他也喜歡唱唱歌、做做飯。

吳德馨：我愛體育，愛看比賽，凡是有比賽我都看，除了足球（笑）。他愛看足球，我不愛看。像女排、男籃、乒乓球、體操，最近的比賽我都有看。年輕的時候喜歡打乒乓球，現在老了打不動了，就愛看別人打。

“平安之夜喜相逢，聚首共敘創業情。曾懟巴統誓自立，日以繼夜覓單峰*。水滴石穿成正果，凱歌高奏慶光通。霜染兩鬢志安在，愿學猛士唱大風**。”這是2017年底，王圩院士在慶祝DFB組創業30周年會上有感而寫的詩。

王圩院士這種對科研工作經歷的感慨，又何嘗不是千千萬萬半導體人的豪情抒發。正是因為有無數吳德馨、王圩的日以繼夜、無私奉獻，我們國家的半導體事業才能走到今天，也必將走向新的高峰。