來源：中國科學(xué)報 作者 |卜葉

“趙德剛在哪兒？” “不在實驗室，就在去實驗室的路上?！? 這是課題組成員對趙德剛的印象。 20余年來，中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所（以下簡稱半導(dǎo)體所）研究員趙德剛幾乎每天泡在實驗室里，周圍同事同學(xué)對他的行蹤了如指掌。 趙德剛所從事的半導(dǎo)體光電子材料與器件事業(yè)是信息時代的基石。 在這個朝陽產(chǎn)業(yè)里，他沒有向著“高產(chǎn)”的新型材料奔去，而是選擇堅守展現(xiàn)出應(yīng)用價值但研究步入深水區(qū)的傳統(tǒng)材料——氮化鎵，并鉆堅研微，克服種種困難，帶領(lǐng)團隊研制出國內(nèi)第一支氮化鎵基紫外激光器、大功率藍光激光器。 “我是國家培養(yǎng)出來的‘土著科研人’，用實際行動回報祖國是我的夙愿。作為一名科研人，國家的需要在哪里，我的研究方向就在哪里。”趙德剛說。

艱難的領(lǐng)域 巨大的難題

簡單來說，半導(dǎo)體研究有兩大類，微電子和光電子。 集成電路、晶體管在微電子研究的范疇內(nèi)，而光電子研究多指激光及相關(guān)產(chǎn)品。 上世紀(jì)90年代，中國的微電子行業(yè)相對落后，在電子科技大學(xué)學(xué)習(xí)了7年的趙德剛深深為這個專業(yè)著迷。在這期間，他申請加入了中國共產(chǎn)黨。 1997年，進入半導(dǎo)體所進一步學(xué)習(xí)之后，趙德剛發(fā)現(xiàn)我國對半導(dǎo)體器件需求巨大，但世界上生產(chǎn)該類器件的原材料卻尚未成熟。 “這也是我選擇氮化鎵光電子材料與器件研究的原因。”趙德剛說。 氮化鎵是繼硅、砷化鎵之后的第三代半導(dǎo)體，其光譜覆蓋了近紅外到深紫外全波段，且熱穩(wěn)定性好、抗擊穿、耐腐蝕，在光電子學(xué)和微電子學(xué)領(lǐng)域具有巨大應(yīng)用潛力。

目前，基于氮化鎵材料的藍光發(fā)光二極管已經(jīng)走進了千家萬戶，引發(fā)了照明產(chǎn)業(yè)的革命。 日本學(xué)者赤崎勇、天野浩和中村修二也因發(fā)明“高效藍色發(fā)光二極管”獲得2014年諾貝爾物理學(xué)獎。 作為另外一種高端光電子器件，氮化鎵激光器在激光顯示、激光加工、激光醫(yī)療等領(lǐng)域有重要應(yīng)用。 但激光器技術(shù)難度大，是國際化合物半導(dǎo)體研究的熱點和制高點。 “要做出藍光激光器，必須生長出高質(zhì)量的氮化鎵材料?！? 趙德剛介紹，由于缺乏匹配的襯底，氮化鎵外延材料質(zhì)量長期困擾著世界各國學(xué)者。 電子遷移率高低是材料性能的綜合反映。 一般來說，電子遷移率越高，材料性能越好。 當(dāng)時，國際領(lǐng)域諾貝爾獎獲得者中村修二做出來在室溫下900平方厘米/伏特·秒電子遷移率的氮化鎵材料，遠遠超過了平均水平。

“900這一數(shù)字在當(dāng)時被認為是不可超越的。” 半導(dǎo)體所助理研究員梁鋒說。 當(dāng)時，課題組面臨的最大問題是氮化鎵材料能發(fā)光但無法激射，一向開朗樂觀的趙德剛也發(fā)愁了，飯都吃不下去。 閱讀文獻后，趙德剛發(fā)現(xiàn)做出高質(zhì)量的氮化鎵材料并沒有絕招，關(guān)鍵是要找到影響電子遷移率的散射機制，并掌握減少散射中心數(shù)量的方法。 因此，趙德剛深入研究了緩沖層原理，同時結(jié)合材料光學(xué)、電學(xué)、結(jié)構(gòu)性質(zhì)的分析，發(fā)現(xiàn)了缺陷產(chǎn)生和湮滅的物理過程，提出了獨特的MOCVD外延技術(shù)。 2004年，他們終于實驗生長出高質(zhì)量的氮化鎵材料，在室溫下其電子遷移率超過1000平方厘米/伏特·秒，這也是國際上MOCVD外延氮化鎵材料的最好結(jié)果，得到了國內(nèi)外廣泛認可。 “這只是局部超越，整體上我國與日本這樣的技術(shù)先進的國家還有差距?！壁w德剛說。

獨到的眼光 獨特的思路

研究出世界頂級的高質(zhì)量氮化鎵材料并不意味著激光器的研制成功。 剛過而立之年的趙德剛毫不遲疑地投入到另一個難題——氮化鎵的p型摻雜的研究中。 “碳雜質(zhì)的作用可能不簡單，碳雜質(zhì)的研究不能停止。”這個聲音縈繞在趙德剛心中。 進一步研究發(fā)現(xiàn)，碳雜質(zhì)在p型氮化鎵中扮演著“破壞者”的角色。 通過結(jié)合生長機理的研究，課題組掌握了抑制碳雜質(zhì)的方法，制備出高質(zhì)量的低溫p型材料。 “碳雜質(zhì)在其他材料中有沒有這種現(xiàn)象？”課題組順藤摸瓜，發(fā)現(xiàn)碳雜質(zhì)在量子阱中的作用也是破壞性的。 “碳雜質(zhì)難道沒有優(yōu)點？”趙德剛帶領(lǐng)課題組發(fā)現(xiàn)，歐姆接觸中，適當(dāng)引入碳雜質(zhì)有助于電流的輸入和輸出。 三連問逐漸形成了對碳雜質(zhì)的系統(tǒng)性研究。 “我總是從當(dāng)前的課題中發(fā)現(xiàn)下一個課題，很少是從熱點、報告、文獻中獲得課題。” 趙德剛說，“半導(dǎo)體研究應(yīng)該立足國家需要，被國外牽著鼻子走不太容易形成自身的研究特色、產(chǎn)生國內(nèi)需要的研究成果?！?

解決問題的能力源于實踐

2012年，趙德剛指導(dǎo)研究生研究量子阱。 實驗遇到問題，遲遲未能解決。 同事介紹，當(dāng)時趙德剛凝神靜氣觀察一番，拍了拍腦門問，“是不是V型坑對器件有影響？”事實證明的確如此，次年，諾貝爾獎獲得者中村修二教授也在相關(guān)研究中引用了該結(jié)論。 當(dāng)問及趙德剛屢屢取得成績的秘訣，他表示，秘訣只有兩個字——“實踐”，問題從實踐中來，答案也在實踐中。 “半導(dǎo)體是理論與實踐結(jié)合密切的行業(yè)，技術(shù)積累很關(guān)鍵，必須沉下心做積累，才有可能在研究中獲得突破。”趙德剛說。 趙德剛承擔(dān)了許多研究任務(wù)，平時基本“釘”在實驗室，但他依然保持著看書的習(xí)慣，他認為理論學(xué)習(xí)不能放下，沒有深厚的理論功底，看問題很難透徹。 科研人員最重要的本領(lǐng)是發(fā)現(xiàn)問題，最大的本事是解決問題。

以從事20余年的氮化鎵研究為例，趙德剛向記者介紹，氮化鎵是目前已知的材料中最具應(yīng)用價值的材料之一，一旦獲得突破將為整個產(chǎn)業(yè)帶來改變，而新型材料走上應(yīng)用可能還需要更漫長的道路。 他時刻關(guān)注氮化鎵材料和光電器件的研究進展與熱點，有點近乎“癡迷”，這種研究風(fēng)格也感染著他的學(xué)生。 “博士階段選擇研究方向時，新型材料研究容易發(fā)論文、評職稱，對年輕科研人員的誘惑力很大，但是跟趙德剛老師交流后，我毫不猶豫選擇了氮化鎵，并且畢業(yè)后留所繼續(xù)從事這項事業(yè)?！绷轰h說。 為國家半導(dǎo)體科技事業(yè)發(fā)展培養(yǎng)后備力量，是趙德剛的心愿。 在趙德剛的鼓勵下，其博士生還推導(dǎo)出氮化鎵二維電子氣的理論公式，促進了氮化鎵微電子器件的研究。 這讓趙德剛倍感欣慰。

“發(fā)展半導(dǎo)體必須有一批踏踏實實的研究人員沉在基層。作為一名黨員，希望越來越多的青年立足國家需要做研究，在科研實踐中實現(xiàn)個人價值。”趙德剛說。 《中國科學(xué)報》 (2020-10-23 第1版 要聞)

原文標(biāo)題：趙德剛： 只做國家有需要的研究｜弘揚新時代科學(xué)家精神

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