半导体研究所赵德刚的科学家精神

来源：中国科学报 作者 |卜叶

“赵德刚在哪儿？” “不在实验室，就在去实验室的路上。” 这是课题组成员对赵德刚的印象。 20余年来，中国科学院半导体研究所（以下简称半导体所）研究员赵德刚几乎每天泡在实验室里，周围同事同学对他的行踪了如指掌。 赵德刚所从事的半导体光电子材料与器件事业是信息时代的基石。 在这个朝阳产业里，他没有向着“高产”的新型材料奔去，而是选择坚守展现出应用价值但研究步入深水区的传统材料——氮化镓，并钻坚研微，克服种种困难，带领团队研制出国内第一支氮化镓基紫外激光器、大功率蓝光激光器。 “我是国家培养出来的‘土著科研人’，用实际行动回报祖国是我的夙愿。作为一名科研人，国家的需要在哪里，我的研究方向就在哪里。”赵德刚说。

艰难的领域 巨大的难题

简单来说，半导体研究有两大类，微电子和光电子。 集成电路、晶体管在微电子研究的范畴内，而光电子研究多指激光及相关产品。 上世纪90年代，中国的微电子行业相对落后，在电子科技大学学习了7年的赵德刚深深为这个专业着迷。在这期间，他申请加入了中国共产党。 1997年，进入半导体所进一步学习之后，赵德刚发现我国对半导体器件需求巨大，但世界上生产该类器件的原材料却尚未成熟。 “这也是我选择氮化镓光电子材料与器件研究的原因。”赵德刚说。 氮化镓是继硅、砷化镓之后的第三代半导体，其光谱覆盖了近红外到深紫外全波段，且热稳定性好、抗击穿、耐腐蚀，在光电子学和微电子学领域具有巨大应用潜力。

目前，基于氮化镓材料的蓝光发光二极管已经走进了千家万户，引发了照明产业的革命。 日本学者赤崎勇、天野浩和中村修二也因发明“高效蓝色发光二极管”获得2014年诺贝尔物理学奖。 作为另外一种高端光电子器件，氮化镓激光器在激光显示、激光加工、激光医疗等领域有重要应用。 但激光器技术难度大，是国际化合物半导体研究的热点和制高点。 “要做出蓝光激光器，必须生长出高质量的氮化镓材料。” 赵德刚介绍，由于缺乏匹配的衬底，氮化镓外延材料质量长期困扰着世界各国学者。 电子迁移率高低是材料性能的综合反映。 一般来说，电子迁移率越高，材料性能越好。 当时，国际领域诺贝尔奖获得者中村修二做出来在室温下900平方厘米/伏特·秒电子迁移率的氮化镓材料，远远超过了平均水平。

“900这一数字在当时被认为是不可超越的。” 半导体所助理研究员梁锋说。 当时，课题组面临的最大问题是氮化镓材料能发光但无法激射，一向开朗乐观的赵德刚也发愁了，饭都吃不下去。 阅读文献后，赵德刚发现做出高质量的氮化镓材料并没有绝招，关键是要找到影响电子迁移率的散射机制，并掌握减少散射中心数量的方法。 因此，赵德刚深入研究了缓冲层原理，同时结合材料光学、电学、结构性质的分析，发现了缺陷产生和湮灭的物理过程，提出了独特的MOCVD外延技术。 2004年，他们终于实验生长出高质量的氮化镓材料，在室温下其电子迁移率超过1000平方厘米/伏特·秒，这也是国际上MOCVD外延氮化镓材料的最好结果，得到了国内外广泛认可。 “这只是局部超越，整体上我国与日本这样的技术先进的国家还有差距。”赵德刚说。

独到的眼光 独特的思路

研究出世界顶级的高质量氮化镓材料并不意味着激光器的研制成功。 刚过而立之年的赵德刚毫不迟疑地投入到另一个难题——氮化镓的p型掺杂的研究中。 “碳杂质的作用可能不简单，碳杂质的研究不能停止。”这个声音萦绕在赵德刚心中。 进一步研究发现，碳杂质在p型氮化镓中扮演着“破坏者”的角色。 通过结合生长机理的研究，课题组掌握了抑制碳杂质的方法，制备出高质量的低温p型材料。 “碳杂质在其他材料中有没有这种现象？”课题组顺藤摸瓜，发现碳杂质在量子阱中的作用也是破坏性的。 “碳杂质难道没有优点？”赵德刚带领课题组发现，欧姆接触中，适当引入碳杂质有助于电流的输入和输出。 三连问逐渐形成了对碳杂质的系统性研究。 “我总是从当前的课题中发现下一个课题，很少是从热点、报告、文献中获得课题。” 赵德刚说，“半导体研究应该立足国家需要，被国外牵着鼻子走不太容易形成自身的研究特色、产生国内需要的研究成果。”

解决问题的能力源于实践

2012年，赵德刚指导研究生研究量子阱。 实验遇到问题，迟迟未能解决。 同事介绍，当时赵德刚凝神静气观察一番，拍了拍脑门问，“是不是V型坑对器件有影响？”事实证明的确如此，次年，诺贝尔奖获得者中村修二教授也在相关研究中引用了该结论。 当问及赵德刚屡屡取得成绩的秘诀，他表示，秘诀只有两个字——“实践”，问题从实践中来，答案也在实践中。 “半导体是理论与实践结合密切的行业，技术积累很关键，必须沉下心做积累，才有可能在研究中获得突破。”赵德刚说。 赵德刚承担了许多研究任务，平时基本“钉”在实验室，但他依然保持着看书的习惯，他认为理论学习不能放下，没有深厚的理论功底，看问题很难透彻。 科研人员最重要的本领是发现问题，最大的本事是解决问题。

以从事20余年的氮化镓研究为例，赵德刚向记者介绍，氮化镓是目前已知的材料中最具应用价值的材料之一，一旦获得突破将为整个产业带来改变，而新型材料走上应用可能还需要更漫长的道路。 他时刻关注氮化镓材料和光电器件的研究进展与热点，有点近乎“痴迷”，这种研究风格也感染着他的学生。 “博士阶段选择研究方向时，新型材料研究容易发论文、评职称，对年轻科研人员的诱惑力很大，但是跟赵德刚老师交流后，我毫不犹豫选择了氮化镓，并且毕业后留所继续从事这项事业。”梁锋说。 为国家半导体科技事业发展培养后备力量，是赵德刚的心愿。 在赵德刚的鼓励下，其博士生还推导出氮化镓二维电子气的理论公式，促进了氮化镓微电子器件的研究。 这让赵德刚倍感欣慰。

“发展半导体必须有一批踏踏实实的研究人员沉在基层。作为一名党员，希望越来越多的青年立足国家需要做研究，在科研实践中实现个人价值。”赵德刚说。 《中国科学报》 (2020-10-23 第1版 要闻)

原文标题：赵德刚： 只做国家有需要的研究｜弘扬新时代科学家精神

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