越雄關漫道 修科研真經
——記南京大學電子科學與工程學院教授修向前

吳應清

修向前

第三代半導體火了！

2020年9月，網上流傳的一則“中國正在規劃將大力支持發展第三代半導體產業寫入‘十四五’規劃之中”的消息，讓第三代半導體相關股市板塊逆勢而上，并持續飄紅。加之，鮮少露面的中芯國際創始人、中國半導體之父張汝京在中國第三代半導體發展機遇交流峰會上強調了發展第三代半導體的重要性，并表示“中國半導體材料與國外的差距已不是那么大，我很樂觀地相信可以追上”，更是讓無數人將目光聚焦到了這一新興半導體材料上。

那么，什么是第三代半導體？

第一代半導體以硅（Si）和鍺（Ge）為代表，目前大部分半導體是基于硅基的。

第二代半導體以砷化鎵（GaAs）、磷化鎵（GaP）為代表，是4G時代的大部分通信設備的材料。

第三代半導體以氮化鎵（GaN）、碳化硅（SiC）、氧化鋅（ZnO）、金剛石為四大代表，是5G時代的主要材料。它將在無線通信、汽車電子、電網、高鐵、衛星通信、軍工雷達、航空航天等領域應用中具備硅基無可比擬的優勢。

雖然，第三代半導體的“走紅”勢必會加快中國半導體材料的追趕腳步，但是不可否認的是，想要追上甚至超越國際水平，還有較長的一段路要走。南京大學電子科學與工程學院教授修向前就是走在這條路上的人。20多年來，他一直從事GaN基于Ⅲ族氮化物寬帶隙半導體襯底材料、生長設備和器件等的研究和應用，致力于在半導體領域打破更多困局，走出一條獨立自主的創新之路。

選擇——鐘其一事，顧其一生

上大學之前，修向前聽說“材料科學、能源科學、信息科學將是21世紀的三大支柱產業”，于是他在填報高考志愿時，選擇了中國科學技術大學的材料物理專業，早期叫晶體專業。之后，在中國科學技術大學“4-2-3分流”培養計劃的支持下，修向前先后取得碩士和博士學位，師從我國晶體物理學家湯洪高和王大志教授，主要從事納米材料和中低溫燃料電池材料的研究。

20世紀80年代末期，日本日亞化學公司的Nakamura等人經過不懈努力突破了制造藍光LED的關鍵技術。GaN基藍色LED的出現，大大擴展了LED的應用領域，從此掀起了第三代半導體材料GaN基半導體照明的革命。

修向前偶然在一次學術報告中得知GaN是重要的第三代半導體材料，且具有禁帶寬度大、高電子漂移飽和速度、導熱性能好、化學穩定性高等優點，由此對該領域產生了極大的科研興趣。

1997年，中國科學技術大學和日本電氣通信大學進行合作交流項目，在該項目的支持下，修向前到日本電氣通信大學留學一年，也就在這時，他的研究方向轉向了GaN材料領域。“去之前，要選擇一個研究方向，寫一個研究計劃，我就選擇了氮化鎵方向。當時，日本在氮化鎵方面的研究水平在世界范圍內領先，正好有這樣一個機會我可以去看看，學習一下。”修向前說道。

在日本電氣通信大學，修向前因陋就簡，利用現有的高頻Plasma CVD設備研究在較低溫度下生長GaN的可行性。通過這段研究經歷，修向前堅定了未來從事GaN方向研究工作的信念。

2000年，博士畢業后，修向前進入南京大學物理系進行博士后研究。說起他與南京大學的淵源，要追溯到1995年他的本科實習。實習期間，修向前曾來到南京大學參觀，南京大學物理系的施毅教授為前來參觀的學生介紹了金屬有機物氣相外延（MOCVD）技術，給他留下了深刻的印象。加之，修向前也了解到當時在南京大學任職的張榮教授、沈波教授等人是國內早期研究GaN材料的學者，在該領域已做出了很多突破性成果，因此他義無反顧地來到了南京大學。

修向前回憶說：“當時是張教授和沈教授面試我，通過那次面試，我發現自己對氮化鎵的了解不夠深入，他們提出的很多問題，我都不能很好地回答出來。”面試過程中，修向前將這些問題記住，在面試結束后花了幾個月的時間對這些問題進行了深入的學習和理解。

修向前還記得進入南京大學物理系后，張榮教授找他第一次談話的情景。張榮教授問他，在氮化鎵方面，是想做偏重技術的研究，還是想做偏重理論的研究。修向前認為氮化鎵在工程應用方面很重要，他想將相關工藝做好，完善相關設備，真正解決氮化鎵襯底制備的難題。于是，他選擇了做技術研究。

至今，修向前已經在氮化鎵領域摸爬滾打了20年。在他看來，氮化鎵襯底制備難題是一塊“硬骨頭”，而他立志要做一個敢啃“硬骨頭”的人。

成長——迎著困難的進階之路

來到南京大學物理系（2010年轉入新成立的電子科學與工程學院）后，在鄭有炓院士和張榮教授的指導下，修向前很快就申請到了原“863”項目“高質量大尺寸自支撐GaN襯底技術”。該項目采用具有高生長速率的氫化物氣相外延（HVPE）技術在藍寶石襯底上生長GaN厚膜，再通過激光剝離技術去除藍寶石，從而獲得自支撐GaN襯底。經過3年的系統研究，修向前在低位錯密度GaN橫向外延技術、GaN厚膜均勻生長技術和GaN外延層/襯底激光剝離技術方面取得了一系列具有全部自主知識產權的成果，申請了10余項發明專利。在該項目中，張榮和修向前團隊研制出了國內第一臺臥式HVPE設備，生長速率達到每小時幾十微米，并在2005年研制出了國內第一片2英寸高質量自支撐GaN襯底材料。

團隊采用激光掃描輻照技術將藍寶石襯底與GaN厚膜分離，獲得高質量GaN自支撐襯底。大面積GaN襯底通常都是在異質襯底（如藍寶石、SiC、Si等）上氣相生長GaN厚膜，然后將原異質襯底分離后獲得的。其中在藍寶石襯底上生長GaN最普遍。為了得到自支撐GaN襯底，必須除去藍寶石襯底。由于藍寶石極其穩定，難以采用化學腐蝕方法。一般的方法是用機械磨削，但因藍寶石很硬，不僅要消耗大量的金剛石磨料，成本很高而且速度極慢。采用激光輻照的方法，利用激光對GaN厚膜和襯底的界面區加熱使之分解，可以快速、無損傷地獲得自支撐GaN襯底。

由于藍寶石和GaN之間的大晶格失配和熱失配導致藍寶石外延的GaN薄膜中存在很大應力，在采用激光輻照的方法進行剝離時，激光輻照造成的熱沖擊會很容易使得GaN襯底樣品碎掉，所以需要仔細控制激光能量密度及掃描方式。在當時，國內還沒有一家機構能夠利用該方法取得高質量GaN自支撐襯底。因此，2004年項目驗收時，有專家評價，南京大學利用激光掃描輻照技術制備出1.5英寸的GaN自支撐襯底在當時是一個很大的突破。2005年，修向前團隊再接再厲，又成功制備出2英寸的GaN自支撐襯底，其厚度達到了1.2毫米以上。

“寶劍鋒從磨礪出，梅花香自苦寒來”，沒有一件事是隨隨便便就能成功的。在項目攻關過程中，由于實驗設備和實驗環境有限，修向前團隊的研究工作也曾面臨著很多困難。

修向前回憶道，剛入職時，相關的科研設備才搭建到一半，他花了兩個多月的時間與研究生一起將設備搭建好才開始研究工作。當時實驗設備簡陋，經常會發生氨氣、氯化氫泄漏。因為沒有經驗，尾氣處理部分設計出現失誤，導致設備在第一次正式生長GaN時，由于大量的氯化銨生成，水處理裝置中氯化銨飽和形成的晶體堵住了氣體出口，用于水處理的玻璃容器直接炸裂。在進行材料外延生長時，由于沒有及時檢測的手段和儀器，研究人員只能依靠光學顯微鏡觀察藍寶石上GaN的成核情況。在項目攻關最緊要的階段，將近4個月的時間，修向前每天就睡了兩個多小時，在設備旁邊支起鋼絲床，時刻觀察設備運行情況。

除此之外，在激光掃描輻照技術將藍寶石襯底與GaN厚膜分離時，修向前團隊面臨著一個很大的難題：因為生長在藍寶石上的GaN厚膜樣品應力非常大，激光打上去樣品就碎了。一開始，團隊采用點掃描的方式，一個點一個點地打，一行一行地掃，這樣的實驗做了上千次，依舊以失敗告終，無法獲得完整的GaN自支撐襯底。幾經研究之后，修向前團隊轉變思路，將翹曲很嚴重的復合GaN厚膜/藍寶石襯底倒扣在加熱的陶瓷板表面，陶瓷板溫度保持在650℃～800℃下，這個時候，藍寶石和GaN之間的熱失配應力基本消除，復合襯底本身是平整的，而不是原來那樣凸出，再用準分子激光器進行輻照，最終得到了平整無翹曲的GaN自支撐襯底。值得一提的是，當時使用的準分子激光器是去其他實驗室借用的，用于加熱的電爐是自己帶過去的，當時陶瓷板的溫度就是用普通的電爐通過耐火磚圍起來達到的。整個過程峰回路轉，不禁令人感慨。

2005年，由國家新材料行業生產力促進中心和國家半導體照明工程研發及產業聯盟共同編纂的《中國半導體照明產業發展報告》提到：“我國是第三個擁有LED襯底技術專利最多的國家，主要發展的是GaN襯底技術，涉及GaN襯底技術的有10項”，南京大學同期有8項相關專利，此外還有很多相關論文被美國專利引用。同年，修向前團隊的研究工作被列入“十五”原“863”優秀成果。

修向前（左五）與2021年畢業生合影

“我們這個工作主要是在張榮教授的指導下完成的，張榮教授應該是國內系統性從事GaN襯底研究工作的第一人，在美國訪問期間，曾搭建了第一臺立式HVPE設備。我到南京大學后，張榮教授剛從國外回來不久。HVPE設備搭建完成后，他每天都會抽出時間來看看我們的工作進展。因為藍寶石和氮化鎵都是透明的，所以氮化鎵長在藍寶石上很難看出來。實事求是地講，我當時沒有經驗，確實看不出來，張教授就耐心地指給我看，直到我自己后來也能在光學顯微鏡下找到GaN成核點。所以說，張教授對我的指導和幫助非常大，沒有張榮教授的領導，我們在GaN方面不會取得這么大的成果，真的很感謝他。自從我們研制出國內第一片自支撐GaN襯底后，國外開始向中國銷售GaN襯底。國外相關設備公司也跟我們接觸，希望合作將我們的設備技術集成到他們的系統中，或者干脆想直接賣設備給我們。”修向前說道。

擔當——積極推動國產裝備產業化

近十幾年來，GaN襯底的重要性推動了HVPE設備和GaN襯底外延研究取得較大的進展。特別是日本在GaN襯底產業化方面處于領先地位。雖然南京大學于2005年研制出了國內第一片自支撐GaN襯底，并在其后的時間里相繼研發了各種類型和各種襯底尺寸的HVPE設備，國內其他單位也實現了2英寸GaN氮化鎵襯底的小批量供應，但是相比碳化硅襯底，氮化鎵襯底產業仍然遠遠落在后面。

修向前表示，目前從國內的情況看來，我國并沒有完全實現GaN襯底裝備的產業化。“因為做氮化鎵襯底確實是一個非常難的工作”，以HVPE設備為例，國際上很多大公司從21世紀初就開始對HVPE設備進行研究，但至今仍沒有一家實現HVPE設備的商品化。歐洲某半導體設備巨頭曾試圖推廣HVPE設備，但是很不成功，由于該公司并不具有GaN厚膜外延方面的技術，從使用效果上來說并不理想。所以實現GaN襯底生長設備以及襯底的產業化是目前全世界面臨的難題。其中，用于GaN襯底制備的HVPE設備技術迄今沒有實現商品化，GaN襯底制備工藝不夠成熟，共同導致GaN襯底價格昂貴、產量很低，這些都限制了GaN襯底的應用。

2017年9月，修向前承擔的國家重點研發計劃戰略性電子材料重點專項“第三代半導體核心關鍵裝備”項目正式啟動。該項目為滿足半導體固態照明、紫外照明和探測、高功率高壓電力電子器件等領域所用高端光電子材料對設備的需求，提出了發展第三代半導體材料核心裝備制造技術。其中，6英寸GaN襯底用HVPE設備的研發實施將使得我國在半導體高端設備研究方面達到國際領先水平。

“通過該項目，我想將我們前十幾年的研究成果進行系統綜合，并基于此，將GaN襯底裝備做成能夠推廣的商品化設備。”修向前表示，隨著工作的推進，他對HVPE設備和GaN襯底外延研究有了更加深入、更加透徹的認識和理解。

“在早期，大家沒有氮化鎵模板，只能直接在藍寶石上外延氮化鎵。后來有了MOCVD技術以后，雖然重復性會好一些，但是成本提高了。”在該項目中，修向前團隊實現了HVPE設備的重復性幾乎可達百分之百，大幅度降低了成本。在這之前，修向前已經完成了GaN襯底在藍寶石上直接生長自剝離的研究，兩者結合最終進一步降低了GaN襯底生長的成本，且良率較高。至今，立足于該項目，修向前團隊已經申請了十幾項核心發明專利，并正在構建專利池。

“為什么這么多年，我只做氮化鎵襯底方面的研究，也沒想過改變研究方向？我就是想將這方向做成熟，真正實現產業化。我們的目標是，利用我們的技術做成全世界最大的氮化鎵襯底產業。”修向前表示，相關的技術問題已大部分解決，目前正在考慮成果落地的工作。除此之外，核心關鍵裝備技術的研究還要與用戶實際需求相結合，為將來國產裝備的落地找好“出口”。

育人——興趣和勤奮是成功的階梯

“學問必須合乎自己的興趣，方可得益。”20多年的科研路上，修向前過五關斬六將，克服了重重難關，解決了大大小小的難題，交出了一張張成績優秀的答卷。而支撐他一路披荊斬棘、乘風破浪的主要原因就是他對科研工作的熱愛。

在修向前看來，興趣是做好科研的重要動力，只有保持對科學研究的熱愛和對未知的好奇，才能持續在這條路上走下去。因此，在教學工作中，他十分重視學生的興趣培養。除了興趣之外，他認為，勤奮也是科研路上的必備品質。他說道：“學好自己的專業課程，毋庸置疑是學生時代最重要的任務。我個人認為，基礎知識的學習對未來的科研工作是非常重要的，只有打好專業基礎，才能走得更加扎實。”

目前，修向前承擔著大學本科課程和研究生課程的教學任務，除了毫不保留地傳授知識外，他還注重從做科研的角度培養學生，例如鼓勵學生自主展開學習，到實驗室進行實踐等。他表示：“光有基礎知識是不夠的，你還要學會將自己的知識應用到科研工作當中。我們很看重學生的閱讀文獻的能力、發現問題的能力以及解決問題的能力，這些都是非常關鍵的。我們希望，學生不僅有扎實的理論知識，還要有很強的動手能力。”

修向前在做實驗

“人若志趣不遠，心不在焉，雖學無成。”修向前坦言，他對科學研究的興趣來源于，他認為自己所從事的科研工作是非常重要的。支持他不斷前進的動力除了對科學研究的興趣之外，還有對第三代半導體材料技術發展的使命感，于他而言，在該領域貢獻自己的力量就是實現自己的人生價值。與此同時，他也希望在興趣之外，學生們也可以樹立為國家某一個行業或某一個領域貢獻自己力量的志向。

如今，第三代半導體材料技術正在成為搶占下一代信息技術、節能減排及國防安全制高點的最佳途徑之一，是戰略性新興產業的重要組成內容。作為核心技術之一，GaN襯底相關技術在新時代更是有著舉足輕重的作用。在該領域，修向前正在加速開疆拓土。采訪的最后，談起未來的打算，他想了想還是那句話：“加快成果落地，做成全世界最大的氮化鎵襯底產業。”