為半導體材料和器件的未來而戰
——記閩都創新實驗室和福州大學平板顯示實驗室教授孫捷

肖貞林

2005年與導師王占國院士（左一）在一起

2020年5月，美國再次發動了針對華為的芯片戰爭，繼2019年對華為實行出口管制之后進一步限制其使用美國技術軟件設計和生產的半導體。而在2018年，美國商務部就曾對中興實施制裁令，禁止美國公司向中興通訊銷售零部件、商品和技術等。從中興到華為事件，中國在半導體方面被“卡脖子”的問題越來越突出。“在半導體芯片領域，我國從裝備、材料到器件，以及集成系統，全部受到國外的限制?！睂O捷頓足道。

事實上，自近期回國后，孫捷就一直致力于組建課題組開展半導體微型LED顯示及二維半導體材料和器件的研究。關于前者，他十分具有前瞻性地說：“未來的顯示技術很有可能就是第三代半導體集成顯示?！倍P于后者，他則語重心長地說：“我們如今的半導體技術已經不可否認地落后于國外很多，但在下一代的半導體技術方面，我們與國外是站在同一起跑線上的，如果我們能夠率先實現突破，就能徹底擺脫被動局面?！?/p>

千淘萬漉雖辛苦

如今孫捷能在這種關鍵時刻帶領團隊站在科技前沿，是因為在此之前他經歷了20多年的磨煉與積累。

將時光倒回到15年前，那時的孫捷正在我國半導體材料學發源地，林蘭英院士親手創建的中國科學院半導體所半導體材料實驗室師從王占國院士攻讀博士學位，有幸被王院士派往瑞典隆德大學繼續攻讀半導體器件方向的雙博士學位。在那里，他有機會接觸到之前在國內很難親手操作的如電子束光刻等設備，通宵做實驗對他來說是家常便飯。有時候，實驗做到半夜，警報器突然響了起來，原來是做實驗的時候不小心碰到了窗戶的報警裝置。“時間長了，學校的保安都認識我了?！睂O捷笑道。在4年的努力下，孫捷的科研能力得到了迅速提升，到了畢業答辯的時候，學校甚至請來了美國電子輸運領域的著名專家J.Bird教授做他的答辯對手。

獲得肯定的孫捷不甘心止步于此，博士畢業的他前往瑞典查爾姆斯理工大學微米技術與納米科學系量子器件物理實驗室從事博士后研究，有幸與諾貝爾物理委員會主席在同一實驗室工作，并在之后留在該實驗室從助理教授一路做到副教授（終身教職）。“在這期間，我除了繼續博士期間關于半導體材料與器件方面的研究外，還進行了二維材料石墨烯的開發?！本驮诖蠹叶荚趶氖聦κ┍旧淼幕A研究時，孫捷結合自己的專業，通過化學氣相沉積研制石墨烯，并獨辟蹊徑，將其與第三代半導體氮化鎵結合，應用于芯片領域?！拔抑攸c研究的是石墨烯薄膜的大規模制備，因為只有研發出薄膜才能使其與芯片材料兼容。”在當時，孫捷是查爾姆斯理工大學有史以來首個進行石墨烯在半導體應用芯片方面研究的學者，也是世界上首個在氮化鎵上直接生長石墨烯的研究者。

作為一名具有極強前瞻性與開創能力的研究者，孫捷還在查爾姆斯理工大學開設了世界上首門關于石墨烯的慕課課程，并將其發布于美國EDX.org平臺。然而就在研究工作和教育課程進行得如火如荼的時候，孫捷卻意識到一直以來人們對石墨烯的認知有誤區，高估了它在芯片上的作用?！八鼘嶋H上是導體，這就意味著它不能在芯片研制過程中發揮主要作用，而只能服務于半導體。”為了讓二維材料在芯片研發中發揮核心作用，孫捷轉變方向，開始致力于用MOCVD技術生長新型的二維半導體材料。

吹盡狂沙始到金

中興事件發生不久，不管是國內還是國際都將目光關注在我國的半導體技術及芯片研發領域。孫捷毅然決定離職回國，以國家級人才身份進入福州大學物理與信息工程學院平板顯示國家地方聯合實驗室。彼時著名顯示專家——福州大學嚴群教授正致力于微型LED顯示領域的研究，希望在退休之前使氮化鎵微型LED顯示在我國率先實現產業化。兩人一拍即合，共同加入新成立的中國福建光電信息科學與技術創新實驗室，也就是僅有的4個福建省實驗室之一——閩都創新實驗室，進行氮化鎵微型LED顯示和通過MOCVD技術生長二維材料并應用于半導體芯片兩方面的研究。

目前在氮化鎵微型LED顯示方向，孫捷及其研究團隊已經成功研制出了高分辨率的微型顯示器的樣機?！拔覀兘酉聛淼闹饕ぷ骶褪菍⒍S半導體與通過氮化鎵研發的微顯示器結合，將顯示和驅動電路單片集成起來。”而這方面需要他們首先用MOCVD技術將二維半導體生長好，然后才能將其用作微型LED顯示器電路的核心材料。

“但是在當前的國際環境中，從國外購買二維材料MOCVD設備不可能實現?！睂O捷皺眉說道，“國外的生產廠家想賣，但外國政府卻下達了禁運令?！敝刂刈璧K的情況下，孫捷決定通過聯合國內有能力的廠家，自主設計制造國產MOCVD設備來生長二維材料，推動大型半導體裝備的國產化。設備有了，“然而由于剛起步，目前國際上尚無現成的MOCVD二維材料的高晶格質量可控生長方法。”因此解決二維材料生長的關鍵科學問題、突破核心技術成為了孫捷團隊目前需要解決的問題。

在石墨烯應用方面，孫捷承擔了國家級項目“GaN外延片直接CVD生長免轉移石墨烯及其在LED中的電極和散熱應用”?！瓣P于石墨烯生長的實驗其實有其他研究者在做，但我們和他們有很大的區別。”孫捷進一步解釋，原來其他課題組研制的石墨烯是在其他襯底上生長的，然后再將其轉移到氮化鎵上?！稗D移技術和半導體平面工藝是不兼容的，因此轉移過程中石墨烯不可避免地會發生污染、褶皺、破損?！倍鴮O捷團隊研制的石墨烯則是直接在氮化鎵上生長的，這正是因為孫捷是世界上第一個研究石墨烯在氮化鎵晶圓上生長技術的人，掌握著核心技術讓他擁有了先發優勢。

值得一提的是，幾年以前，孫捷還主持了一項關于石墨烯研制的光電器件在太赫茲領域應用的基礎研究項目。在當時，該項目得到了瑞典高等教育合作署的支持。在項目開展過程中，孫捷作為海外華僑，還出面牽頭促成了國內高校校長和查爾姆斯理工大學校長的會見，并且瑞典高等教育國際合作署也專門派了官員來中國進行合作訪問，極大地促進了中瑞兩國的學術交流。

無論是如今的閩都創新實驗室，還是當年的中瑞合作項目，孫捷的發心都是為了促進我國科研的發展，如今回到國內并任職于福州大學，他開始從更多角度關注我國科技的發展。

路漫漫其修遠兮

孫捷在隆德大學

如今孫捷在福州大學擔任博士生導師，國內外兩個階段的教學科研經歷讓他能夠以橫向對比的方式觀察學生的學習風格。他發現，在同等層次的學校中，國內外學生的個人素質和能力其實是差不多的，“他們的主要差距在思維方式和做事風格上”。在國外授課的過程中，學生會在課堂上提出不同的看法，甚至和老師進行辯論，而國內的學生則更多地選擇接受老師的觀點?！捌鋵嵾€是應該培養他們獨立思考的能力，在科研上，過分地尊重權威是很難有創新的?！睂O捷一語中的。

除此之外，孫捷還提出了關于科研管理的一些想法。他希望能夠在符合我國自身文化屬性的基礎上簡化大學行政管理的流程。其次，他認為大學作為一個國家科研發展的重要部分，應該配備具有足夠高學歷及水平的工程師團隊。最后，他提出，高效的流程和優秀的工程師團隊，再加上課題組之間良好的合作關系，將會更好地推動我國科研領域的發展。

如今，孫捷依然記得自己本科即將畢業的那天下午，他跟隨大連理工大學的胡禮中教授通過傳統液相外延技術做第二代半導體砷化鎵的生長。按照以往的經驗，襯底上將會出現平面結構的單晶薄層，結果孫捷眼前卻生長出了島狀結構的砷化鎵。那次意外的發現徹底引起了孫捷對半導體研究的興趣。但那時候的他或許不曾想到，自己將會用一生的時光進行半導體領域的研究，并且在如今站上科技的前沿，為推動我國半導體芯片技術的進步發光發熱。