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米乐m6app官网下载:孙聂枫:“晶”诚所至攻克难题 “铟”机而变传承不绝

发布时间:2022-06-16 03:42:12 来源:m6官网登录 作者:m6米乐登录入口

  从旁观父亲孙同年研究并逐渐萌生兴趣的稚童,到“上阵父子兵”、与父亲并肩作战的精英骨干,再到接下父亲InP(磷化铟)材料研究的接力棒,继续奋斗在化合物半导体材料的第一线,热爱、传承、突破、责任,是孙聂枫投身于此的初心,更是他研究生涯的关键词。

  三岁的时候,孙聂枫就知道,“爸爸总是很忙”。彼时在上幼儿园的他,经常是最后一个被父亲接走的小孩。很多时候,“被接走”也不意味着可以回家,而是随着父亲返回实验室,看父亲再次扎进忙碌的实验中。

  这些实验到底有什么样的魅力,让父亲醉心其中?年幼的孙聂枫开始用孩童的目光观察父亲的实验。很快他就发现,父亲的实验室简直像神话里的炼丹炉一样神奇——将提纯出来的元素放到炉子里,就有“新东西”慢慢生长出来。在炉子里,父亲到底用了什么“种子”?“长出来”的东西是什么?怎么设置才能让它“长”得更好?……一连串的问题出现在年幼的孙聂枫的脑海里,投身科研的种子也就此埋在他心中。

  时光如白驹过隙,耳濡目染中,父亲一直在做的事情也在孙聂枫眼中逐渐清晰起来:父亲致力于合成并研究一种非天然存在的、拥有卓越的电光转换效率和高电子迁移率、耐高温、强抗辐射能力的半导体材料——InP,并努力开发相关技术,积极开拓InP单晶全产业链式的研发。

  作为第二代半导体材料代表的InP,其在光电及微电子领域拥有极强的应用潜力,同时在军用高性能卫星、导弹、雷达等武器系统中也有重大价值。这些特性让InP在20世纪50年代末首次生长成功后,迅速引起了世界各国科研学者的普遍关注,孙聂枫的父亲孙同年也是其中一员。

  当时仅能接触到相关科研报道的孙同年,敏锐地察觉到了这种材料的重要性,并迅速着手研究攻关。1970年,在十三所领导的支持下,他带领十三所InP课题组,在我国率先开展高压条件下InP的合成与单晶制备。然而这种全新半导体材料的研究之路却并不平坦,设备短缺、无InP籽晶、经验为零、技术封锁……重重困难接踵而来,孙同年和团队几乎说得上是“白手起家”,孙聂枫记忆中父亲的忙碌也由此而来。

  艰难困苦,玉汝于成。在InP单晶全产业链式的研发之路上,孙同年自主设计制造了我国首台高压单晶炉。我国第一根LEC InP单晶、第一批GaAs单晶就从这一高压单晶炉中生长而成。此外,孙同年还发明了InP、GaAs材料的原位合成连续长晶设备和方法,他提出的氢占铟空位半绝缘InP形成机理成为被国际承认的重要学说之一,并在国际上最早突破GaAs的低温合成工艺。与此同时,孙同年在材料和相关技术方面的探索成果,为我国InP器件发展提供了关键材料,也为十三所乃至我国InP光电器件的发展提供了强大助力。

  即便获得了不俗的成就,前行之路却仍是“道阻且长”。由于缺乏相关的技术指引,直接购买技术更加成熟、价格低廉的国外半导体器件或产品成为当时国内的主流,大量的半导体研究所和工厂纷纷倒闭;半导体物理等专业就业困难,大量高校将这一专业裁撤。

  待到孙聂枫本科毕业时,国内半导体研发应用领域正面临着行业停滞、人才断档的窘迫局面,于是研究尚属前沿领域、应用场景有限的InP,使课题组更显得“曲高和寡”,课题组研究不断“遇冷”,团队年轻人才出走频繁,一度出现青黄不接的情况。

  就在这个时候,面对更多热门的研究方向,孙聂枫没有一丝动摇,从小在父亲实验室泡大的他毅然决然地选择回到十三所工作。提及当初的选择,他依旧觉得“还是要做自己熟悉的事”,就算要“坐冷板凳”,他也甘之如饴。就此,孙聂枫加入了自幼便熟稔的InP课题组,从“旁观者”正式成为“参与者”。

  对于孙同年的研究,或许有人觉得,既然市面上已经有成熟产品且廉价易得,还要自己苦心研究,是不是太过“钻牛角尖”?孙聂枫却能理解父亲的执着:“有些工作总要有人去做,不管别人是否对我们限制,我们总要做自己的工作。”

  加入课题组后,父子二人都抱定实现InP国产化的信念,以热爱之心和报国之情,共同扎进了这项研究难度大、周期长、成效慢的基础研究中,共赴InP相关研究及产业化发展的未来之约。

  在孙聂枫看来,父亲教会自己的,不唯有对InP研究的热忱,更有一种在极其有限条件下,研究不辍的“笃定”和“甘愿”。作为一种具有战略意义的化合物半导体材料,国外对InP的相关技术成果“三缄其口”,这就使得孙同年的研究不得不长期处于“自力更生”的状态。

  等到孙聂枫加入这一团队时,这样的情况并未改善,研究工作仍在沿用始建于20世纪70年代的设备厂房,研究力量也因为“老队员”的相继退休和年轻力量的缺乏显得愈发捉襟见肘。

  最困难的时候,父子二人就是这个课题组的“全部阵容”。然而这种艰难的状况,并没有让孙家父子的科研热情降温。

  在孙聂枫眼中,“一切从零开始”有其独特的优势——“半导体材料制作难度很大,要求在高温高压的环境下去做。具体到InP,它对生长环境的要求极为严苛,在操作环节还有更多的技术要求。可以说,在所有半导体材料的制作过程中,InP算是最难制备的材料之一。如果单靠引进国外的设备器材,在昂贵的购买和维护成本面前,我们可能会畏首畏尾。而自己的团队从设备做起,设备、技术、工艺都是自主可控的,反倒是给了课题组敢想敢干、开拓创新的空间。”

  在这样的氛围下,即使设备简陋、条件艰苦,十三所InP课题组仍凭借先进的成果和产品,成为国际上研究InP最重要的五个实验室之一。其产出的高品质InP多晶、单晶和籽晶,也被国际知名同行机构广泛使用。然而孙同年和孙聂枫同样明白,研究如逆水行舟,不进则退。如何继续保持十三所InP课题组在相关领域的领先优势呢?年轻的孙聂枫将目光投向了大尺寸单晶的生长和制作。

  为何要关注大尺寸单晶?孙聂枫提到了近年来引起不少行业波动的“断芯”“缺芯”事件。他解释道,芯片被称为“工业粮食”,而半导体材料属于芯片制造的上游行业,在制造成本几乎不增加、组件面积不明显改变的前提下,大尺寸单晶可提高产品效率,并带动组件单晶成本的进一步降低。从这个角度出发,大规模单晶产品必将成为行业发展的重要趋势,掌握大尺寸单晶制备技术,将会为我国自主芯片提供强有力的研发基础。

  而国内外相关研究的发展方向,也印证了孙聂枫的预想:进入21世纪,InP的重要性再次引起广泛重视,如美军将InP列为21世纪20项关键电子技术之一。

  以此为开端,对大尺寸InP单晶产品的需求日益高涨。然而囿于制备技术难度,仅有日本住友、法国InPact、美国AXT等少数几个公司有能力批量生产2~4英寸的InP单晶,6英寸InP单晶的制备则仅限于报道之中。

  此时,孙家父子所在的InP课题组从事相关研究已近40年,其中沉淀的技术和理论成果为孙聂枫提供了丰厚的科研土壤。“国家需要,我就去做。”抱着这样的想法,孙聂枫当仁不让地投入到大尺寸单晶的研究过程中。

  在国家“十二五”规划纲要、“十三五”规划纲要的大力倡导下,半导体材料的相关研究再度“转热”,孙聂枫对于大尺寸单晶的探索可谓是恰逢其时。不过孙聂枫清楚地知道,科研从来不能只喊口号,要做新研究,就要解决新问题。

  “种下梧桐树,引得凤凰来。”接过父亲递来的接力棒后,孙聂枫将人才引进工作放在了第一位。2010年,在国家科技重大专项的支持下,一批钟情于半导体事业、矢志科研报国的年轻人成为课题组的新生力量,而课题组自创立以来“干一行、爱一行”的传统也为这些后来人继承下来。就此,一支具备专业素养、齐心协力的InP研究团队正式集结而成。

  人员齐备之后,便要“利其器”。父亲亲手设计建造的单晶炉,自1976年以来已经工作了30余年,其功能已经不能覆盖大尺寸单晶生长制作的需求。尽管十三所InP课题组已经蜚声国际,然而发达国家对于大尺寸高压单晶炉的技术封锁依旧存在。

  孙聂枫意识到,自己要做一件和父亲一样的事:核心技术是求不来、买不到的,求人不如求己,这一台对整个InP及相关化合物行业起着支撑作用的大尺寸高压单晶炉,还是要自己设计制造。孙聂枫的想法很快得到所领导和科技部门领导的支持。十三所的领导一直都是由半导体专家担任,也正是他们的不断支持,我国的InP研发得以赓续,而且逐渐形成全产业链的发展模式。现任所长卜爱民、副所长蔡树军等更加重视InP的国产化能力的提升,因此,给予InP团队非常大的支持和鼓励。

  温度1062℃、气压4MPa,这是InP生长所需的基本条件。在这样的高温高压条件下,任何操作都要慎之又慎,由此带来的设计难度可想而知。经过反复论证,辅以几十项创新设计发明,孙聂枫带领着年轻的团队不断攻关,终于在2013年研制出具有完全自主知识产权的关键设备——Cz-50型多功能大型高压单晶炉。

  这一设备口径大,可进行更高重量的大容量的合成,以LEC、VB、VGF等方法生长6~8英寸的InP单晶,实现了全部设计、制造及软件国产化,具有热稳定性高的特点。相较于英国MR公司及美国空军实验室的单晶炉,这个单晶炉实现了两个“增加”:尺寸更大、功能更多。得此“利器”,发达国家对高端InP半导体领域核心设备的封锁就势打破,同时也填补了我国在该领域的空白。

  有了大尺寸高压单晶炉,下一个要解决的就是热场设计难题。针对大尺寸单晶炉对流强、温度起伏高的特点,孙聂枫提出了可调封闭热场结构。基于这一发明,他在2013年年底先后制备出直径6英寸、重达近10kg的InP整锭单晶,成为当时世界上最重、尺寸最大的晶体,其中6英寸单晶的成品率达到了世界领先水平。这一成果的重要意义在于,它不仅突破了制备过程中的关键技术,更使InP大规模产业化应用成为可能。

  在多晶合成领域,孙聂枫亦有建树。在阐明注入合成物理机理的基础上,他发明了双管快速注入合成方法,使用该方法每3小时即可合成6kg的InP多晶,并突破了合成20kg高纯InP的关键核心技术,实现了合成效率和产业化水平的“双提升”。此外,他还创造性地提出了注入合成连续晶体生长技术,可用于超高纯多晶的制备,通过该技术生长的超高纯多晶的纯度超越了国外顶级公司的产品,拥有广阔的应用前景。

  从接过父亲翻阅颇多的实验数据、累积经年的红色技术档案,到研制出全新的设备和技术成果,孙聂枫用成果完美地诠释了“传承”的意义。在他看来,传承不是坐享其成,而是要在接力的时候,不断完善已有成果,让理论更扎实,技术更先进,产品可靠性更强、安全性更好。“从20世纪70年代算起,我们自研自制的设备已经发展到第四代、第五代。对我父亲和我来说,自己动手,自己就能看到结果,这是最有意思的事情。”孙聂枫说。

  在InP的研究过程中,孪晶一直是制约其产业化和低成本化的世界级难题,这一问题也成为世界范围内有关InP研究的重要课题。经过大量的研究、推理和实验后,各国研究者就如何克服孪晶的出现提出了诸多理论,其中影响最大的当属前国际晶体生长学会副主席Hurle教授提出的临界放肩角理论。

  Hurle教授认为,在生长大直径单晶时,选择合适的放肩角度才可以避免孪晶的产生。这一理论也得到了国际上重量级的半导体研究者的认可。然而事实果然如此吗?习惯于亲手做事的孙聂枫决定“眼见为实”。

  在反复的科研实验中,孙聂枫发现了这一理论的“bug”(漏洞)——突破Hurle教授所说的角度限制,依然可以生成无孪晶的晶体,而在这一角度限制以内,也并不能百分百地生成无孪晶的晶体。即使后续这一角度从30°修正到75°,这种情况也依然存在。显然,Hurle教授的理论不是孪晶问题的最终答案。

  不迷信权威,孙聂枫沿袭实践这一检验真理的唯一标准,从生长动力学角度入手,通过大量实验证明:InP单晶生长中并不存在临界放肩角的问题,孪晶产生是由多方面原因造成的,而消除孪晶的关键,在于对热场的合理调配、生长界面及形状的严格控制。换言之,发现孪晶的形成与临界放肩角无关,而是与其生长条件、小平面特征息息相关。

  从实践中来,再到实践中去。基于这一重新揭示孪晶形成机理的论断,孙聂枫结合理论成果,发明了放肩角=90°的平放肩工艺,通过生长过程中控制固液界面边缘的形貌来抑制孪晶的形成。该技术不仅大大提高了晶体的利用率,通过这一工艺生产的晶体,能达到直接可用或接近于直接可用的状态,成品率也随之大幅提高。

  而作为临界放肩角理论曾经的拥趸,国际著名学者、德国晶体生长学会主席、Journal of crystal growth副主编Rudolph教授在来到十三所亲眼见证孙聂枫团队的InP单晶生产过程后,对孙聂枫团队所做的理论和实践成果大为赞叹,随后他发表的综述文章“Fundamentals and engineering of defects”(《缺陷原理与工程》),对孙聂枫提出的孪晶理论给予了高度评价。

  至此,孙聂枫的理论成果逐步受到国际相关学者的关注和认可。随后多位国际著名学者的研究证明,孙聂枫的理论不仅适用于InP这类闪锌矿晶体,而且还适用于硅等更广泛的晶体。通过这一理论,孪晶这一老大难问题得以解决,晶体生长可控性大大提高,生长成本也随之大大降低。可以说,这一理论和工艺,对大尺寸半导体单晶的研究制备及产业化应用具有划时代的意义。

  “已经记不得做过多少次实验,基本上每个角度我们团队都重复了很多次。”回忆起这场“角度之争”,孙聂枫感慨道,“作为一个科研院所,特别是十三所这样应用型的科研院所,我们在做的事情是和其他团队很不一样的。我们不仅要做晶体的培育,还要研究晶体培育过程的一些机理和原理问题。‘知其然’,更要‘知其所以然’,是我们团队不变的追求。有关非掺杂半绝缘理论的研究也是如此。”

  孙聂枫所说的非掺杂半绝缘理论,其实是一项基于“缺陷”而展开的研究。InP的半绝缘特性通常是通过铁来实现的,而在制备过程中,材料纯度及单晶制备工艺等因素会严重影响铁的激活效率。

  为了解决这一问题,只能不断提高铁的浓度,而这样的做法又会带来新的问题:铁原子会降低InP的临界剪切应力,大幅增加InP晶体中的位错等缺陷,同时铁还可能在衬底外延过程中反扩散,严重影响了芯片及器件的物理性能及寿命。

  如何平衡“做得出”和“用得久”,孙聂枫和团队做了大量工作。在实验数据的基础上,他发现了非掺杂半绝缘InP的现象,就此,孙聂枫在国际上最早提出了“VInH4分解补偿”的非掺杂半绝缘InP的形成机理。“非掺杂”,即“抛弃”铁这种旧有的激活元素,同时保持InP的半绝缘属性。

  与此同时,他还发现了晶体中的亮点缺陷现象,基于界面生长稳定性理论形貌提出了亮点缺陷的形成机理,提出了两种位错增殖与延伸模型,并解释了其对单晶质量的影响。

  在这些理论的支持下,孙聂枫团队产出的晶体“纯度更高、透过率更好”,性能远超国外同类产品。这一成果被该领域的国际期刊Crystal Research and Technology列为封面文章,并认为该成果在制备高品质InP的关键技术方面获得了重要突破。

  父子相继投身科研40余年,十三所InP课题组终于在InP晶体研究领域实现了“人无我有、人有我精”的局面,将科研和生产自主权牢牢地掌握在自己手中。而孙聂枫的成就也得到了国内外学界、产业界的一致认可,他被选为国际半导体协会标准技术委员会核心委员、中国电子学会高级会员、全国工商联科技装备业商会半导体专业委员会副主任委员、全国半导体设备和材料标准化委员会委员,以及美国晶体生长学会委员、美国化学学会会员、印度晶体大会科技委员等。

  在孙聂枫看来,关于InP的研究,既要“自主可控”,也不可“闭门造车”,与国际权威学者、一流研究所的交流过程,也是思维碰撞、交流互动的过程。通过这样的理论探索、技术打磨、产品交互,“InP课题组还在不断成长,我们拥有无限可能”。

  回顾自己的研究之路,孙聂枫最为骄傲的,便是打通了InP的研究、制备及产业化通路,在多晶合成、单晶生长、超洁净清洗、磷尾气回收等几十项单晶衬底制备关键技术的支持下,形成了具有自主知识产权的磷化铟产业体系,建立了国内具有完全自主知识产权的磷化铟产业平台,相关产品也已应用于太赫兹等重要领域,同时出口到美国、印度及中国台湾等国家和地区,实现我国InP材料从依赖进口到走出国门。

  然而孙聂枫深知,InP的潜力不止于此,它应在更多领域发挥功用。而我国正在积极布局的5G通信、加速攻关的6G通信领域就是InP未来的主要应用场景之一。

  孙聂枫介绍,5G及6G通信中,均大量使用光纤通信。在基站中使用的1310nm和1550nm大气窗口的激光器、探测器,正是InP大放光彩的地方。据了解,目前在光纤通信网络、5G基站间的光通信、量子通信骨干网、天地一体化网络系统等重要通信场景中,都存在大量的InP材料和器件。这一特性同样适用于后续6G通信的研究和基站建设。除此之外,使用InP器件制作的激光雷达、毫米波雷达是未来无人驾驶的核心部件,太赫兹和超高效太阳电池等领域对于InP器件的应用也日趋成熟……这都预示着InP材料在开发与应用领域大有可为。

  目前,制约InP材料产业化的主要因素,是其高昂的价格。为此,孙聂枫立志于在不断发掘InP材料优异性能的前提下,通过工艺和设备的进步,不断降低InP材料及器件的生产成本,让InP材料及器件大规模应用成为可能。与此同时,他充分开拓与相关企业的合作,以产业需求作为研究的重要方向,以研究成果驱动产业发展。

  在他看来,我国以InP材料为代表的半导体行业,既需要先进的理论、工艺、技术、产品作为前导,也需要更多的企业投入其中,二力合一,方可推动InP材料及器件产业化、规模化发展,帮助我国在国际上形成真正的影响力。

  醉心科研的同时,孙聂枫也对半导体材料研究人才培养颇为重视。经历过人才短缺的窘迫,孙聂枫迫切地希望能够以自身和团队的力量,助推相关研究人才成长,让整个行业能以更蓬勃的态势走在不断创新的康庄大道上。为此,他在母校河北大学、天津大学,以及中国科学技术大学担任导师,期待将自己的研究经验和最前沿的研究成果传递给年轻人。

  孙聂枫常和学生说,在他父亲那个年代,做工作很多时候都不是自主选择,而是服从于国家和团队的需要,先是“干一行”,进而“爱一行”。这样的精神投射到今天,依然是从事科学研究的不二法门。

  科研工作艰苦枯燥,对于基础材料的研究更是如此。放眼整个半导体材料研究领域,不唯有他父亲,基本上全世界从事InP相关研究的科学家都要沉下心来,做个二三十年,才能获得一些成果。如果做的时间太短,是做不出什么成果来的。科研之路,唯有“坚持”二字最为可贵。但坚持并不是一件容易的事,每个人都可能遇到各种不同的情况,或许面临一次又一次失败,或许面对“这研究有什么用”的犀利质疑,很多时候难免萌生出“是否要坚守这份事业”的疑问。即使乐观如孙聂枫,也曾有过迟疑的时候。但是从他的经验来看,这些困难常常是“黎明前的黑暗”,度过这段难熬的时光,曙光就在前头。

  “我也有犹豫的时候,但是现在我和我的团队都越来越坚定了。不好高骛远,也不妄自菲薄,以‘小步前进’的方式踏实地往前走,这份事业就变得越干越有趣,越干越爱干。有些事情就得有人去做,即使困难,也要坚持。很多时候,所谓的‘卡脖子’问题,未必是因为研究开展得晚、追赶困难,而是没有将当初的研究坚持下来。目前InP课题组能够处于国际前沿的位置,与整个团队的长期坚持有很大关系。坚持是对自己的信心,也是对工作的热爱。从这个意义来说,我希望我的学生也能坚守自己的选择,将InP研发事业真正发扬光大。”孙聂枫说。

  国家科技进步奖二等奖、第四届杰出工程师奖、国防科学技术奖一等奖(两项)、中国电子科技集团科技进步奖特等奖、河北省自然科学奖二等奖、中国电子科技集团十大领军人才(第一名)、中华人民共和国成立70周年纪念章、全国信息产业先进工作者……从研20余年,荣誉是孙聂枫坚持初心的最佳注脚,也是孙聂枫科研之路的里程碑。

  面对成绩,他总是说:“荣誉对我来说都是意外之喜,最吸引我的一直都是晶体材料研究本身。我的父亲已经80多岁了,他依旧时刻关注课题组的研究进度,对团队后辈积极指导、热心帮助。‘亦余心之所向兮,虽九死其尤未悔’,也许这就是晶体材料本身的魔力吧。”

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2022-06-16
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