專注材料三十載 志在成果產業化
——記中國科學院半導體研究所研究員趙有文

唐慧喬 王 輝

2017年，趙有文創辦了珠海鼎泰芯源晶體有限公司

20世紀中葉，單晶硅和半導體晶體管的發明及其硅集成電路的研制成功，成為電子工業革命的濫觴，隨后光纖通信技術迅速發展并逐步形成高新技術產業，則是人類進入信息時代的重要標志；而隨著超晶格概念的提出及半導體超晶格、量子阱材料的誕生，納米技術的發展與運用推動半導體進入納米時代。時至今日，大到通信、計算機、消費電子、汽車電子、航空航天、國防軍工等傳統產業領域，小到人臉識別、血氧測量等日常應用，都有半導體材料的參與。與半導體技術的發展和半導體材料研究相伴生的，是各種各樣新的半導體材料不斷出現并拓展出越來越多的全新應用場景，磷化銦、銻化鎵等材料更是一躍成為化合物半導體及器件的重要材料。

作為我國半導體研究及行業發展的見證者和參與者，中國科學院半導體研究所研究員趙有文對此有著獨特的見解。由于種種原因，我國曾一度與世界半導體技術差距巨大，相關研究也走過了一段在黑暗中探索的艱辛路；在我國半導體行業走向實踐、奮起直指之時，又面臨了更為復雜的困難和挑戰。盡管如此，經歷過一代代科研人和產業人的共同努力，我國半導體研究及行業發展仍以堅韌的面貌成長起來，并逐漸走出一條具有自己特色的路。而對于趙有文來說，耐得住寂寞、沉得下身子，是他在從研從業過程中感悟的真諦，亦是鞭策他前行的向導。

守得云開見月明

“底子差、市場小”，在趙有文投身半導體材料研究之初，面對的就是這樣的窘境。“相較于發達國家，20世紀80年代國內半導體材料的研究者和從業者雖然已經看到以磷化銦為代表的半導體材料具有廣闊的應用前景，但相關的市場需求還是很小，完整產業鏈尚未建立，磷化銦‘英雄無用武之地’，啟動相關研究的動力嚴重不足。”趙有文回憶道。以給未來產業攢足發展動力為出發點，相關部門高瞻遠矚，部署了相當數量的科研項目及專題為我國半導體材料提供“燃料”，而當時正在河北半導體研究所攻讀碩士的趙有文，也在這個時間段初次接觸了磷化銦這種材料，就此開啟了他與半導體材料的不解之緣。

從1986年入學以來，趙有文在導師孫同年的帶領下，在河北半導體研究所度過了打基礎、做研究、積極創新的10年。他們在設備短缺、經驗為零、技術封鎖的重重困難之下，逐漸研制出了我國首臺高壓單晶爐，并摸索出多項磷化銦合成制備的理論及工藝，為我國磷化銦器件的發展打下了堅實的基礎。

學而不思則罔，思而不學則殆。1996年，已經擁有10年科研一線工作經驗的趙有文聽從孫同年“學習前沿知識、提升自身水平”的建議，赴香港大學攻讀碩士學位。3年后，他以優異的成績順利畢業，隨后以研究員的身份進入中國科學院半導體研究所。談及這段時光，趙有文感慨地說道：“在河北半導體研究所工作的10年，是我與磷化銦相遇、相知，打下扎實基礎的10年；而在中國科學院半導體研究所，我得以對半導體材料有了更多、更深的了解，也驗證了其更多的應用可能。”

趙有文所謂更深的了解，不惟停留于對相關材料優勢的剖析，他同樣關注其“弱點”所在。以磷化銦材料為出發點，他所取得的“磷化銦單晶缺陷”“磷化銦和氧化鋅材料缺陷研究”“化學物半導體磷化銦”等研究成果分別獲得國家級、部委級和省級獎勵。在此基礎上他還先后開發了十余項專利技術，也成為磷化銦材料從實驗室走向應用的重要推力。

珠海鼎泰芯源公司全體員工2019年公司年會合影留念

對半導體材料了解愈深，對其探索欲愈盛。在紅外激光器、探測器、熱光伏電池及高速低功耗集成電路器件等領域具有巨大應用潛力的第四代半導體材料——銻化鎵成為趙有文團隊著力探索的新領域。據趙有文介紹，銻化鎵為直接帶隙半導體材料，光譜響應范圍廣，特別是中長波段（8～14μ m）紅外探測器在天文觀測、環境監測、醫學診斷、消防、導彈制導及預警等民用和軍用領域具有重要的應用價值和前景。基于其量子效率高、暗電流小、探測率高、大尺寸成本低并具有較好的光譜調節能力等優勢，趙有文決定“知其所以然”，從基礎物性的角度對其展開研究。依托國家自然科學基金項目“新型紅外探測器應用相關的銻化鎵單晶雜質、缺陷及物性”，他錨定銻化鎵材料中存在的雜質、缺陷及缺陷屬性和形成機理、缺陷之間、缺陷與雜質的相互作用和變化過程，揭示了銻化鎵材料中雜質和缺陷的產生規律、缺陷對材料性質的影響，以及缺陷自身的結構、性質和相互作用等，對于豐富和發展材料物理科學內容、探索有關的物理規律、提高晶體質量及器件性能等產生了積極影響。

在看好銻化鎵材料發展前景的同時，趙有文也敏銳地意識到我國發展銻化鎵產業的掣肘因素——“銻化鎵單晶是制備Ⅱ類超晶格中長波紅外探測器及焦平面陣列（F P A）的關鍵基礎材料，鑒于新一代紅外探測器的重要性和發展趨勢，用于研制砷化銦/銻化鎵超晶格紅外焦平面陣列的銻化鎵單晶襯底晶片已被歐美國家列為對中國禁售的材料。雖然目前利用國產銻化鎵單晶襯底可以實現砷化銦/銻化鎵超晶格結構的生長，但是有關銻化鎵材料基礎物性的研究遠遠跟不上器件研制的進展，襯底材料的質量問題成為限制器件發展的重要因素。”趙有文解釋道，“半導體器件性能的好壞和成品率除了與生長方法和工藝有關外，還與襯底材料的質量有很大的關系，其中襯底材料的表面特性是決定器件性能的關鍵因素。如果襯底材料表面粗糙，表面成分偏離化學計量比，氧化層較厚或者表面缺陷濃度非常高，在器件的外延生長過程中便會以此為基點產生應力，甚至會形成位錯等缺陷，從而對器件性能產生致命的影響。面對砷化銦/銻化鎵Ⅱ類超晶格紅外探測器日益提高的性能要求，對銻化鎵單晶襯底材料的表面、異質結界面進行系統研究具有重大的現實意義。”

為此，在國家自然科學基金項目“內生富鎵對銻化鎵單晶表面、異質結界面及相關性質的影響”中，趙有文帶領課題組的謝輝、沈桂英、王鳳華、劉京明、王俊、楊俊等幾位科研骨干就富鎵對銻化鎵單表面氧化和雜質吸附動力學的影響、富鎵對銻化鎵單晶表面晶體結構的影響、富鎵對表面和界面原子擴散的影響和銻注入對表面氧化行為及外延生長效果的影響等內容進行攻關，解決了制備高質量銻化鎵單晶襯底材料的關鍵技術，建立了一套實用化的拋洗工藝技術，使得銻化鎵襯底批量應用于高質量Ⅱ類超晶格材料和紅外探測器的生產，為相關單位科研和生產提供了有力的保障。

回首從小眾研究走向大眾產業的科研之路，趙有文很少談及其中的辛苦。他說：“能夠收獲這樣的成果，我要感謝老師前輩的指導和信任，更要感謝國家項目的大力支持。在我進入這一領域時，這塊科研土壤還很貧瘠，甚至一度有‘前路未明’的迷茫感；而如今在相關研究的加持下，相關產業得以快速發展，良性循環的產業鏈正在逐漸形成，可以說行業的曙光已經到來。我能在其中做一些研究工作，我覺得挺幸運的。”

趙有文與兩位博士研究生沈桂英和謝輝2019年10月份參加在德國柏林召開的半導體缺陷識別國際學術會議

絕知此事要躬行

對于半導體材料如數家珍的趙有文，并不希望這些材料只停留在實驗室中。“我一直有一個夢想，要把材料從實驗室弄到企業去，最終變成產品造福百姓。”他堅定地說道。在他眼中，“科研成果如果只停留在科研這一步，不去做轉化，其實意義不是很大。只發個文章、申請一項新的專利，是遠遠不夠的；把它做成一個產品，讓這些材料成為實用化的材料，在市場上發揮它的用處，這對科研、對社會、對國家發展都是一件大有裨益的事情，也是我對于科研意義的最高理解”。

2017年，懷揣著這樣的夢想，趙有文勇敢地走出了成果產業化的新路。以“成為國際一流的化合物半導體晶體材料供應商”為目標的珠海鼎泰芯源晶體有限公司應運而生，趙有文出任首席科學家兼總工程師。從實驗室走向市場，他不僅要面對激烈的市場競爭，更需要為以磷化銦為主的半導體單晶材料國產化事業作出自己的貢獻。

“我們過去在實驗室做項目、做課題，基本上做出個樣品就可以了。但做產品不一樣，產品滿足大批量生產、質量穩定等要求，對成品重復性、一致性的要求相當高，這也促使我們在整個生產過程中加強管理，對工藝、制度、流程、標準都制定了很高的標準。”趙有文說道，“因為生產過程中人工參與的過程相對較多，我們還逐步完善了人員的準入和培訓制度，以保證產品的穩定性。”

在解決了產品穩定性的問題后，如何讓其與市場上成熟的國際產品進行競爭，成了趙有文面對的新問題。“經過多年發展，盡管國內已經形成了相對完整的半導體產業鏈，但當時我們的產品與國外產品尚有一定差距。對于已經形成使用習慣的企業，想要完成半導體產品的國產化替代，需要我們的產品做到和國外產品一樣好，甚至要更好才能實現。”

想通了這一點，趙有文帶著“人有我優”的思路投身成果轉化的實踐工作中。據他介紹，磷化銦材料在光通信、毫米波高頻、低噪聲、寬帶微電子集成等領域具有重要的應用。磷化銦基的長波長（1.3～1.55μ m）發光二極管、激光器和探測器已廣泛用于光纖通信系統，磷化銦基的異質結雙極晶體管（H B T）、高電子遷移率晶體管（H E M T）也已用于新一代高速通信系統，磷化銦還是太赫茲領域的首選材料之一；磷化銦制造的高頻低噪聲器件更是新一代雷達通信、衛星通信的關鍵元器件。然而目前國內使用的磷化銦單晶片以進口為主，國產磷化銦晶片仍處于試用階段，主要包含光電器件用導通襯底和應用于微波器件及高速電路的半絕緣襯底等。磷化銦單晶生長需要高純的磷化銦多晶為原料，而國產多晶純度、電學性能和穩定性與國外水平還存在一定差距，這也是導致磷化銦多晶原料基本依賴進口的主要原因之一。換言之，高純的磷化銦多晶國產化問題是磷化銦產業鏈國產化配套中的薄弱環節。為此，在院企合作項目“磷化銦晶體制備技術開發”中，趙有文團隊就磷化銦多晶合成工藝技術、低位錯磷化銦單晶生長技術和磷化銦單晶襯底制備技術展開開發和研究，通過開展高品質磷化銦多晶和單晶材料制備工藝的國產化開發以完善我國磷化銦產業鏈配套，進而為磷化銦基器件的發展應用提供材料保障。

在“行穩”的基礎上，趙有文團隊立志創新，他們同樣關注著行業內不斷涌現的半導體新材料。在自主立項的“高質量砷化銦單晶襯底制備技術研發”中，趙有文團隊就砷化銦/銻化鎵材料，展開了砷化銦單晶的垂直梯度凝固法（VGF）生長技術、砷化銦單晶的孿晶控制技術、砷化銦單晶缺陷及其影響及砷化銦襯底高精度加工技術的系統研究。

為什么是砷化銦/銻化鎵？趙有文給出了非常詳細的解答——隨著紅外光電探測技術的不斷發展與應用，中遠紅外（3～14μ m）波段已成為紅外技術應用的主要大氣窗口，這也要求下一代探測器必須具備高速響應、高探測率、多波段探測識別、小像元、大規模面陣等性能，之前及現在廣泛應用于第一、二代紅外探測器上的汞碲化鎘、量子阱光探測、硅化鉑、可降解塑料等材料已無法滿足第三代高性能紅外焦平面系統的要求，而具有Ⅱ型能帶結構、寬譜覆蓋、高探測效率等優點的砷化銦/銻化鎵超晶格材料則成為這一領域的“后起之秀”。基于砷化銦/銻化鎵超晶格焦平面紅外探測器在夜視、通信、氣象、大氣監測、工業探傷、地球資源探測、醫學診斷、消防、導彈制導及預警等民用和軍用領域的重要應用價值和前景，它被公認為是下一代高性能紅外探測器的理想材料體系之一。正是看中了其廣闊的發展前景，趙有文團隊毅然踏入這一領域，為研發和制備國產化相關器件貢獻自己的力量。

苦心人，天不負。在團隊的共同努力下，一些在傳統砷化銦/銻化鎵制備過程中容易出現的諸如熱應力導致晶格滑移產生大量位錯，砷化銦單晶背景雜質濃度升高、易產生點缺陷及復合體缺陷、位錯和缺陷影響器件的性能和壽命等棘手問題被逐一克服，新的砷化銦單晶生長方法正在逐步成形，這對國產砷化銦單晶材料應用和器件發展都極具重要意義和積極的推動作用。

如今，珠海鼎泰芯源晶體有限公司已獲得A輪融資，并已成為國內多家企業的重要戰略伙伴之一。“半導體產業發展回報周期比較長、認證門檻高，對產品的要求也很高，這注定了我們要走過一條充滿挑戰的長路。然而我們當初進行半導體研究時同樣走過這樣一條路并取得了不錯的成果，所以即使過程很艱難，我們也滿懷信心，堅定地走在這條路上。”趙有文如是說道。

百尺竿頭須進步

一身承擔著中國科學院半導體研究所研究員和珠海鼎泰芯源晶體有限公司首席科學家兼總工程師等重要職務，趙有文的生活忙碌而充實。在行業內深耕多年，如今已成長為團隊帶頭人的他也更加重視團隊的力量。在他的引導和培養下，一批科研新人和產業化新人以蓬勃之姿成長起來，并逐步成為推動行業發展的中堅力量。

在中國科學院半導體研究所，由趙有文牽頭成立的課題組擁有20余名成員。基于累積的理論成果和不斷更新的生產設備，課題組先后承擔了多項國家級重要項目及院企合作項目，在前沿科研和應用轉化領域都取得了亮眼的成果。對于團隊中的年輕人，趙有文寄予厚望，他常說“未來總是要交給年輕人的”。從自己的經驗出發，在教導學生的過程中，他著重強調了打好基礎、涉獵廣泛、充分發揮交叉學科優勢的重要性。“對于半導體材料的研究歸根到底屬于基礎研究，對理論知識的要求是很高的。所以學生在‘一入門’的時候，就得掌握好足夠多的理論知識，包括材料生長、晶體生長、半導體材料甚至物理和器件相關的理論知識，他們都要學習。打好理論基礎之后，我還會督促學生多做實事、多做實驗、多參與實際工作，在實踐中不斷磨煉自己。”趙有文娓娓道來，“關于材料的研究相對來說比較枯燥，不像其他行業趣味性比較強。一個材料實驗可能要經歷無數次反復，其間更是要面對各種需要解決的問題，諸如如何讓單晶的缺陷降低甚至消除？如何讓材料的品質更好？這都需要通過一次次的實驗來找到問題的成因，并在實踐中反復驗證，最終才有可能解決這個問題。所以我就要求學生必須參與實際工作，同時他們還要認真地去看一些業內資料、研究文獻和專業書籍，以開拓解決問題的思路，并逐步形成‘博采眾長’的優勢。”

趙有文是一名嚴師。對于各項學習任務，他制定了嚴格的標準，“該完成的任務必須完成，絕對不能拖，學生學習的任務、實驗的進度都要抓緊”。在此基礎上，他又是一位給予學生充分科研空間的導師，他對學生的各種嘗試活動都很支持，并熱切期待年輕人能更加積極地投入相關研究中。“充分信任學生的能力，督促他們多參與實踐，反復進行驗證，對自己的研究成果負責”，是他教學工作的真實寫照。

而對于珠海鼎泰芯源晶體有限公司的團隊，趙有文一直奉行著“專業人做專業事”的原則。針對不同的具體環節，在保證科研力量的同時，趙有文邀請有經驗的技術工人、專業的運營人員加入團隊，使公司運行更符合市場規律，從而實現穩定健康的長續發展。

被問及兩次走過艱難奮進路的動力所在，趙有文將其歸結為熱愛和沉淀——“我對這份事業的執著，一方面是源于對半導體材料的熱愛，另一方面也是我們做了這么多年相關研究所累積的信心。其他國家的人能做好的事情，我們也能做好。我就秉持著這樣的信念，一做就是幾十年。”與此同時，趙有文對于成果轉化的堅定選擇，也成為他前行的堅定動力：“我感到驕傲的地方，就是能夠將研究成果投入實際應用。真正的產品要對社會有貢獻，對產業發展有作用，這是最有意義的事。雖然這一路上有時候還是挺煎熬的，我們在做項目、做產品時都曾遇到過很多次失敗，但我們堅信，失敗了就繼續做，總能迎來成功的一天。”