【2022年度“科普中國青年之星創(chuàng)作大賽”】陳志忠：半生相伴半導(dǎo)體，一心一意為強國

2019年1月8日上午，中共中央、國務(wù)院在人民大會堂隆重舉行國家科學(xué)技術(shù)獎勵大會。習近平、李克強、王滬寧、韓正等黨和國家領(lǐng)導(dǎo)人出席會議。習近平等為獲獎代表頒獎。其中九三學(xué)社共有41名社員獲得表彰獎勵，今天給大家?guī)淼氖瞧渲幸晃粯s獲國家技術(shù)發(fā)明二等獎的北京社員陳志忠的故事。

氮化物半導(dǎo)體大失配異質(zhì)外延技術(shù)是什么

在北京入冬以后最溫暖的一天里，我在北大物理學(xué)院陳志忠的辦公室里見到了他本人。讓陳志忠走上國家級科技獎勵舞臺的這個項目，名叫氮化物半導(dǎo)體大失配異質(zhì)外延技術(shù)。第一次看到這個項目名稱，相信大多數(shù)讀者跟我的感覺一樣：每個字我都認識，連起來就看不懂了。所以我見到陳志忠的第一件事，就是要搞明白這到底是怎么個技術(shù)。

先說前半段：氮化物半導(dǎo)體。這部分百度就夠用了。

半導(dǎo)體是指一種導(dǎo)電性可受控制，范圍可從絕緣體至導(dǎo)體之間的材料。無論從科技或是經(jīng)濟發(fā)展的角度來看，半導(dǎo)體的重要性都是非常巨大的。今日大部分的電子產(chǎn)品，如計算機、移動電話或是數(shù)碼相機當中的核心單元都和半導(dǎo)體有著極為密切的關(guān)聯(lián)。以氮化鎵（GaN）為代表的第三代半導(dǎo)體材料及器件的開發(fā)是新興半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的核心和基礎(chǔ)，其研究開發(fā)呈現(xiàn)出日新月異的發(fā)展勢態(tài)。GaN基光電器件中，藍色發(fā)光二極管（LED）率先實現(xiàn)商品化生產(chǎn)。 繼成功開發(fā)藍光LED和激光器（LD）之后， GaN紫外光探測器、GaN電力電子器件和微波功率方面也嶄露頭角，顯示出廣闊的市場前景。氮化鎵半導(dǎo)體電力開關(guān)器件被譽為半導(dǎo)體芯片設(shè)計上一個新的里程碑。

再說后半段，大適配異質(zhì)外延，這部分還得聽陳老師給我上課。

氮化鎵半導(dǎo)體雖好，可是太貴啊，因為它的生長（外延）模板，也就襯底部分如果用氮化鎵，也就是同質(zhì)材料，性能確實很好，可是這東西一片就2萬*，那誰用得起啊，市場太小了。后來呢，美國人先嘗試了用藍寶石做圖形襯底（PSS），也就是異質(zhì)材料，這成本可就低多了，這么大一片，才100多！*

對，這么大的藍寶石100多，而且主要還是研磨和切片的成本。

但是他們當時做的比較粗糙，不能商業(yè)化，可是我認為如果采用合適的工藝和刻蝕方法預(yù)加工藍寶石襯底，做出來的性能也不會比同質(zhì)襯底性能下降太多，就堅持搞了這么些年，現(xiàn)在很幸運的出了一點點成果。

整個訪談過程中，陳志忠的臉上始終掛著謙遜的笑容。

目前的商業(yè)半導(dǎo)體市場上，硅基半導(dǎo)體還是占據(jù)絕對份額的，因為技術(shù)成熟，穩(wěn)定性和良品率也高。但是尺有所長寸有所短，在照明領(lǐng)域（LED照明，汽車激光大燈）和超高頻信號領(lǐng)域（5G芯片，手機信號基站，雷達）和大電流傳輸領(lǐng)域（飛機、動車、新能源車上的電力傳輸元件），氮化物半導(dǎo)體目前已經(jīng)具備了無可替代的優(yōu)勢，而陳志忠就是一位把大半生都交給氮化物半導(dǎo)體的專家。

和氮化鎵的半生緣：PSS從實驗室概念到工廠的生產(chǎn)線

陳志忠搞半導(dǎo)體可不是偶然，在高中畢業(yè)準備報志愿的時候，正好趕上蘇聯(lián)解體。目睹了一個曾經(jīng)無比強大的國家備受欺凌的樣子，他暗暗下了決心：決不讓自己的祖國也遭受這樣的苦難。

在年輕的陳志忠腦海里，讓祖國強大最簡單的辦法有兩種：最先進的武器，或者最高級的計算機。所以他填報了兩個志愿，一個是核物理，一個是半導(dǎo)體。最終他以優(yōu)異的成績被南京大學(xué)錄取，專業(yè)就是半導(dǎo)體。

身處半導(dǎo)體專業(yè)，陳志忠始終關(guān)注著國際上相關(guān)的科研成果，早在90年代初，氮化物半導(dǎo)體加工工藝中的選區(qū)外延技術(shù)就已經(jīng)產(chǎn)生了，這一技術(shù)吸引了陳志忠的注意力。到了本科畢業(yè)論文時期，陳志忠進實驗室就開始接觸氮化鎵，恰好能有機會上手操作。97年，國內(nèi)第一個LED（以氮化物半導(dǎo)體為基礎(chǔ)）在北大實驗室里發(fā)出了光，正好陳志忠碩士畢業(yè)，于是他博士畢業(yè)后毫不猶豫的選擇了當時國內(nèi)氮化物半導(dǎo)體研究最領(lǐng)先的北大做博士后，博士后出站留校至今。

這是傳統(tǒng)PSS工藝中的兩個主要痛點

2000年，基于選區(qū)外延技術(shù)之上，美國率先開始嘗試用圖形化藍寶石作為襯底（PSS）生長氮化物半導(dǎo)體，但是效果還不是很理想。到了04-06年，北大開始與中科院半導(dǎo)體所合作，也開始嘗試PSS技術(shù)的應(yīng)用研究，當時的PSS模板是從韓國一個廠家買來的，但他們的PSS性能還沒有不經(jīng)任何加工的光板藍寶石性能好。

這就是陳志忠在此次獲獎項目中的主要貢獻，一次性解決了兩個痛點：陳志忠的發(fā)明讓PSS的圖形缺陷密度足足降低了100倍！

09年，陳志忠到了東莞的中鎵公司，次年就趕上了韓國那家生產(chǎn)PSS的廠子經(jīng)營困難甩賣設(shè)備，于是這套設(shè)備就到了陳志忠團隊的手里。如獲至寶的陳志忠和同事們結(jié)合科研摸索了幾年，終于在2012年把PSS制備技術(shù)搞透了，不但填補了我國該領(lǐng)域一項重大的科技空白，完全擺脫了之前對國外的依賴。

一開始高質(zhì)量的PSS全靠進口，國內(nèi)能生產(chǎn)的很少，高檔芯片都在外面，但是現(xiàn)在我們自己能做了，老外的東西一下子就賣不動了，很多廠子都破產(chǎn)了！我們心里其實也覺得出了一口氣。

這項技術(shù)開始使用以后，公司每年的產(chǎn)值一下子就從每年千萬級變成了現(xiàn)在的億級，而這項技術(shù)也是目前在國際上是使用規(guī)模最大的技術(shù)。PSS目前在主流的LED廠商中已經(jīng)開始廣泛使用，而LED產(chǎn)業(yè)全球總產(chǎn)值產(chǎn)值即將突破一萬億，中國的產(chǎn)能接近全球的一半。

陳志忠在國際半導(dǎo)體照明論壇上的演講

張藝謀和LED的故事

談到目前PSS的最主要用途：LED照明，陳志忠有很多故事。

奧運的時候，開幕式里面的LED顯示屏都是當時國內(nèi)企業(yè)做的，2008年的時候故障率很高啊，每次彩排，總是有壞的，那個屏幕單元動不動就變成了常亮狀態(tài)了，組委會的人天天來庫里面換板子，開幕式總導(dǎo)演張藝謀都慌了：我的一世英名要毀在你們LED手上了！后來表演的效果還挺好，因為大家都在拍照，一直閃光，沒人注意到個別故障的板子了……那時候是08年，不要說我們了，全世界的LED**良品率都不高。

09年的時候，廣東省喜歡體驗高科技，廣深高速上已經(jīng)開始用LED燈了，當時我因為工作的關(guān)系，總是走那個高速，結(jié)果就發(fā)現(xiàn)沒用多長時間，很多燈就不亮了。但是現(xiàn)在呢，故障率非常低了，這不能說是我的貢獻，這是整個行業(yè)的努力。我只是改進了PSS**這項外延工藝，保證了材料部分的質(zhì)量，但是最后這個產(chǎn)品是一個系統(tǒng)，影響的因素很多。不過可靠性方面，我們的技術(shù)確實對廠家?guī)椭艽?，因為整個質(zhì)量體系中，影響最大的還是材料質(zhì)量。

實驗室中的陳志忠

科研，我們應(yīng)該玩自己的

談到產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀和未來，陳志忠也有一套自己的看法。

國家對LED一直是扶持的，要不然我們?nèi)兆与y過啊，很多LED廠家說我們的利潤還不如做鋁合金門窗的。氮化鎵這個產(chǎn)業(yè)還有很大發(fā)展空間，比如農(nóng)業(yè)，醫(yī)療中的可變光譜照明：非視覺照明，用紫外線治療黃疸，抑郁癥，可以開發(fā)的場景太多了。

談到了遠大未來，陳志忠的眼里出現(xiàn)了一絲動人的神采，我剛好一抬頭，卻看見了他辦公室還用著傳統(tǒng)的熒光燈照明。大概是覺察我的視線，搞了大半輩子LED的陳志忠有些尷尬：

我們這個教學(xué)樓太老*……一步一步來嘛，用LED**攻占博雅塔*（注：和未名湖齊名的北大校內(nèi)地標）是我們的夢想，因為現(xiàn)在塔上照明還用舊燈泡呢！。

新技術(shù)的換代是要看資本和市場的，不能一朝一夕完成的。

西方在科研體系上長期的積累和投入我們現(xiàn)在追趕還是很費勁的，但是我們可以玩我們自己的，搞差異化，我們不應(yīng)該在什么領(lǐng)域都盲目的追隨他們。