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    北大沈波教授專訪:向國外學習科學研究并不過時
    2019-02-03 中國教育和科研計算機網 張偉靜 袁玉凝

      背景介紹:沈波,北京大學物理學院教授、長江學者、國家杰出青年基金獲得者。在2018年度國家科學技術獎勵大會上,北京大學沈波教授團隊"氮化物半導體大失配異質外延技術"獲國家技術發明二等獎。沈波教授團隊發明了有效提升外延質量的圖形化藍寶石襯底新技術和外延生長新方法,制備出部分質量指標國際領先的氮化物半導體外延材料,建立了較為完善的氮化物半導體大失配異質外延技術體系,并實現了產業化應用。


    北京大學沈波教授團隊“氮化物半導體大失配異質外延技術”獲國家技術發明二等獎

      中國教育和科研計算機網:首先祝賀您的“氮化物半導體大失配異質外延技術”獲得國家技術發明二等獎,您能簡單通俗的介紹一下這個項目嗎?

      沈波:非常感謝你們的支持。該項目是屬于電子與通信技術學科的半導體材料和器件技術方向。氮化物半導體制備的主流方法是藍寶石等襯底上的異質外延,外延材料中高缺陷密度成為氮化物半導體技術發展的關鍵瓶頸。

      我們在大失配異質外延,包括襯底的圖形化技術等方面取得了一些研究突破,發明了有效提升外延質量的圖形化藍寶石襯底新技術和外延生長新方法,制備出質量指標國際領先的氮化物半導體外延材料。同時,我們把大學的研究成果跟產業應用結合起來,這也是我們團隊從老一代科學家開始一直堅持的做法,獲得了國家的肯定。

      中國教育和科研計算機網:大失配異質外延是個專業術語,行業之外的人可能不太理解,您能給大家解釋一下這個名詞嗎?

      沈波:氮化物半導體(簡稱氮化鎵)是人工合成的新型半導體材料,用標準的單晶生長方法不可能制備這種材料。第一代半導體硅外延有硅單晶襯底,硅片的直徑已發展到8英寸、12英寸,甚至18英寸,第二代半導體砷化鎵也有單晶襯底材料。

      由于氮化物半導體沒有傳統意義上的單晶襯底,只能用一些比較特殊的方法制備襯底材料,價格非常昂貴,產能也很有限,因此絕大部分氮化物半導體及其量子結構必須制備在異質襯底上,比如藍寶石襯底、硅襯底、碳化硅襯底等等。

      藍寶石和氮化物半導體之間的異質外延是目前最重要的大失配異質外延。不同物質的原子構成不同,因此它們的晶體結構各不相同,藍寶石和氮化鎵這兩種晶體之間的周期和對稱性存在巨大的差別,隨溫度膨脹收縮的規律也很不一樣,我們稱之為大失配。在這種情況下,把氮化物半導體制備在藍寶石襯底上就難度很大,若制備不好,材料就會有非常高的缺陷密度。只有采用各種各樣的前沿技術和新方法才能制備出高質量的氮化物半導體及其量子結構,在此基礎上才能制備出高性能的器件和芯片。

      中國教育和科研計算機網:我們從獲獎項目中看到,您的團隊發明了有效提升外延質量的圖形化藍寶石襯底新技術和外延生長新方法,主要有哪些新技術和新方法?這些新技術能夠發揮什么樣的作用?

      沈波:我們大失配異質外延的創新包括兩個方面。第一是藍寶石圖形襯底技術的創新。最早的圖形襯底是由韓國科學家發明的,我們的圖形襯底技術實現了兩個方面的創新:一是有一些新結構,二是有獨有的制作技術,品質好而成本低,因此我們合作企業的產品在國際國內很有競爭力。

      第二個創新就是我們發展了各種具有自主知識產權的氮化物半導體外延制備方法,制備的氮化物半導體部分晶體質量指標世界領先。

      中國教育和科研計算機網:這一研究成果最大意義在哪些地方呢?該項目成果已大規模產業應用,市場效益如何?

      沈波:氮化物半導體是第三代半導體的典型代表,被廣泛應用于半導體照明、無線移動通信、電動汽車以及國防軍工等領域,是國家的重要戰略領域,也是國際高技術競爭的主要領域之一。現在美國對中國的很多技術和產品限制、禁運都涉及到第三代半導體。

      要想把第三代半導體的應用系統做好,就需要把器件和模塊做好,而要把器件和模塊做好,首先要把大失配異質外延做好。就像蓋房子,大失配異質外延就是基礎和地基,就是關鍵的核心技術。

      從我們團隊的老一代科學家開始,由于技術研發做得不錯,10年前就以技術入股的形式在廣東參與了第三代半導體領域高技術企業的創辦。經過多年努力,現在已經取得不錯的成果和效益,2017年企業銷售收入超過了10億人民幣。

      中國教育和科研計算機網:剛剛您提到第三代半導體材料是一種“戰略物資”和國際競爭焦點,我們的技術與國外相比,例如美國、德國、日本,最大的優勢是什么?不足又是什么?

      沈波:整個半導體技術以及半導體產業都是先在西方發展起來的。第一個晶體管是美國人發明的,美國在第一代半導體、第二代半導體領域一直占據著很大優勢,后來日本異軍突起,再后來韓國、中國臺灣的半導體芯片產業也做得不錯。與之相比,中國大陸一直比較落后。1958年在國家組織下,黃昆和謝希德先生等在北京大學創立了國內五校聯合的半導體班,這是中國大陸培養的第一批半導體專業人才;從那時起,中國大陸的半導體技術和產業才慢慢起步。

      中國的半導體技術和產業在相當長的時間里和西方保持著比較大的差距,其原因一是起步比較晚,技術研究和產業發展的歷史比較短,缺乏沉淀;二是因為半導體材料、器件和芯片是高資金、高技術密集的行業,在過去很長的時間里,因為國力財力的限制,國家不可能投入太多,民間資本投入也談不上。

      但現在不一樣了,隨著國家這幾十年的快速發展,國內已經有相當充足的經濟實力投入半導體技術研究和產業發展上。實際上從十多年前開始,我們國家半導體材料、器件和芯片的技術研究和產業投入就進入了高速發展階段,我所在的北大實驗室無論從硬件條件還是研究水平上這10多年都取得了非常大的進步。

      從整體上講,國內在第三代半導體,特別是氮化物半導體領域與國際領先水平的差距這10多年已經明顯縮小。我認為再過8-10年,這個差距就很可能被追上。事實上,國內第三代半導體的某些技術研究已經有自己的特色,并不落后,甚至在個別點上已領先于人。

      中國教育和科研計算機網:科研創新突破往往遇到很多困難,您在技術研究過程中遇到過哪些困難?是如何克服的?

      沈波:不同的時期,困難也有所不同。不管怎樣,研究貴在持之以恒,不能追著熱點跑。我從1995年在日本博士畢業后就開始做氮化鎵研究,轉眼就做了二十多年,所以只有堅持才能克服困難。

      1995年我從國外回來的時候,面臨的最大困難就是國內條件比較差,無論是科研經費還是硬件設備都跟國外有非常大的差距。我記得我剛回國,國家給我的經費也就幾十萬人民幣,但是一臺制備氮化物的設備需要一百萬美元,最后只能自己搭建設備。但是自己搭建的設備在性能上跟國外設備差距很大,所以除了自力更生,課題組還采用國際合作的形式,經常借助國外的設備條件做研究,以此來克服在科研硬件條件上的不足。

      這幾年情況完全不一樣了,實驗室設備條件已經跟國外差不多了,這時我們面對的困難也不一樣了,國家和大學對我們的要求也不一樣了。現在國內很多單位開始投身到這個研究領域,人才競爭非常激烈,怎么把一些很優秀的年輕人吸引到我們團隊來,并能夠穩定的發揮作用,對我來說是新的挑戰。一方面,我們怎么用事業用感情來留人、吸引人還需探索,另一方面,目前的人才評價體系在實踐操作層面還是有一些問題的。

      整體上來講,大學的評價體系更注重基礎研究,雖然現在也鼓勵高技術研發和成果的轉移轉化,但在實際操作過程中還有很多不盡如人意的地方。怎樣在自己能夠掌控的小環境里,處理好基礎研究和高技術成果產業化的關系問題,保障年輕學者的正常學術發展,我一直在思考如何做得更好,希望國家和大學更加注意這個問題的解決。


    北京大學物理學院教授 沈波

      中國教育和科研計算機網:在 2018年度國家科學技術獎評選出的278個項目中,有多個項目涉及第三代半導體領域。您對第三代半導體領域的研究前景有怎樣的看法?

      沈波:我不知道今年獲獎項目里有多少是第三代半導體,但毫無疑問第三代半導體是非常非常重要的,是國家的戰略需求。中興事件以后,國家從最高領導人到一般老百姓都知道了半導體技術和半導體芯片的重要性。客觀上講,過去國家更注重集成創新和應用模式創新,比如說高鐵、移動支付等,但其實里面的核心部件和元器件還是進口的。中興事件一下子讓國家和產業界意識到,創新的核心是關鍵材料、關鍵元器件的創新,我覺得這是非常好的事情。

      國家當然應該鼓勵集成創新、應用模式創新,但這些領域應該主要交給市場去做。現在全國上下已經充分意識到,半導體芯片是國家競爭力的最終體現,半導體芯片是高資本、高技術密集的產業。前幾年我跟各級領導做各種交流時,還需要跟他們強調半導體芯片的重要性,現在已經不用講了,現在討論的主題是該怎么做。

      另外,我想強調的是:第一代、第二代、第三代半導體不是取代與被取代的關系,它是從發展時間上劃分的。第一代半導體硅材料和器件,特別是集成電路,發展比較早,現在依然是最重要的半導體技術和最主要的半導體芯片產業。后來由于第一代半導體材料在發光和射頻性能上的局限性,第二代半導體發展起來了。再后來,由于短波長光電器件和高功率器件的需求,又發展到第三代半導體。這三代半導體的發展是相互促進和相互融合的關系,不是競爭和取代的關系。

      整體上和第一代、第二代半導體一樣,第三代半導體的發展態勢是非常好的,我相信再有8-10年,我們國家的第三代半導體,無論是材料、器件,還是芯片、應用都會有更大的飛躍。從國家、社會投入規模、研發人員規模增長趨勢來看,我們在總體上趕上乃至超過世界先進水平應該是不太遙遠的事情。

      現在面臨的最主要問題可能還是產業,研發做得好并不意味著產業做得好。現在第三代半導體產業發展最大的問題是什么呢?就是缺乏龍頭企業。這幾年我國很多中小企業發展起來了,它們過去以引進外國技術為主,自身研發能力,特別是中試能力有限。而國內大學及研究機構在與企業合作,在研究成果的產業化落地上還有一些環節不是很順暢,特別是中試的問題,未能很好解決。國外的跨國企業本身就能從基礎研究一直做到產業應用。在美國,靠高通、蘋果等龍頭企業的力量,就可打通整個創新鏈條,把研發和產業落地結合得很好,企業資源整合能力很強,中國缺少這種類型的龍頭企業。

      此外 ,我還擔心的是,大家一窩蜂的做這個事情可能不見得好。現在很多南方的企業大力投入第三代半導體產業,如果企業產能真像說的那樣,三年之后百分之百地達到產能標準,可能會產能過剩,畢竟對第三代半導體的需求不是無止境的。當然了,企業是否能達到規劃產能還是個問號,因為國內還沒有那么多、那么強的技術力量來支撐這件事情,很多裝備技術還卡在外國人手上。

      中國教育和科研計算機網:這項科研成果由北京大學牽頭,以技術入股方式與東莞兩家公司合作,您認為這個校企合作的必要性和意義在哪里?

      沈波:這個是非常重要的。從國家的角度來看,大學的研究成果總是要走向應用,校企合作就提供了這樣一個平臺和機會。但是,如上面所述,校企合作還存在很多問題,比如說大學目前的評估體系以發表文章、申請國家項目為主,雖然國家倡導科技成果產業化,但在實際操作過程中并不十分看重這個指標。我希望國家和大學能夠逐步形成全面的評價體系,既鼓勵基礎研究,也鼓勵高技術研究和應用推廣,科技成果轉移轉化也應該是科研評價體系中的重要內容。

      校企合作做得好反過來對基礎研究也是有幫助的,我們團隊有不少先進設備是企業提供的,也改善了部分老師的待遇。校企合作可以減少年輕老師們的經濟壓力,他們做基礎研究的積極性和效率也提高了很多。

      中國教育和科研計算機網:您是如何開始這項研究的?

      沈波:我在國外攻讀博士時學的是屬于第一代半導體的硅材料研究。1995年回國以后在我的老師鄭有炓院士的指點下開始做第三代半導體研究,一干就是20多年。后來我又去東京大學做了兩年博士后,2000年再次回國后,國家和大學的科研條件開始變好了,投入力度越來越大,工作就很順利的開展起來了。2004年來北大后,受到了我們團隊的創始人甘子釗院士和張國義教授的大力支持。對我來說,做第三代半導體研究既是機遇,也是水到渠成的事情。

      中國教育和科研計算機網:您的科研成果贏得了國際同行的高度評價,包括諾貝爾獎獲得者在內的多位該領域國際知名學者給予了引用或評價。對于這些贊譽,您有何感想?

      沈波:我覺得只要做得好,國際同行給予關注是很正常的。我是是在國外留學學習的現代科研知識和科研方法,因此整個項目的研究從一開始就放在了國際化平臺上,國際交流頻繁。此外,我們還經常邀請國際同行學者,包括諾貝爾獎獲得者到北大訪問交流。所以我們的成果也相對容易受到國際同行的關注,這是我們團隊的基因決定的,核心老師都是從國外留學回來的,與國際同行保持著密切聯系。

      但是我們也很清楚這些評價針對的是我們過去的研究,不代表未來,我們認為這僅是好的開始或者好的基礎,以后還得繼續努力。我們的一些特色研究成果被國外的一流的學者承認,但是總體上我們團隊的研發水平跟國外的頂尖課題組相比還有差距,我們還是要保持學生的心態。

      現在中國雖然是世界第二大經濟體了,但是在科學技術上,我們依然要向西方學習,如果離開了國際化的交流,關起門來做研究,只會越做越落后。雖然現在國際學術交流,特別是我們這個領域,遇到了一些困難,我想這個是正常的,因為中國發展壯大了,其他國家多少會有警覺和戒備,還不適應中國的崛起。但即使這樣,我認為依然要像總書記說的那樣,要堅持和深化改革開放,科技教育界更要如此。我的學生畢業后,我還是會鼓勵他們去國外做博士后,培養國際視野,我覺得國際視野在科研工作中是非常重要的,關起門來不可能做好科研。


    北京大學物理學院教授 沈波

      中國教育和科研計算機網:您剛剛提到國際合作給您的研究帶來了很大的技術和設備幫助,除此以外,國外的學習和科研合作還給您帶來了哪些收獲?

      沈波:改革開放以后相當長的一段時間里,我們國家不管是基礎研究、應用研究還是高技術的發展,都從國外學到了很多東西。到現在為止,我覺得向國外學習也并不過時。雖然現在西方對我們有戒備心理,我們自己也掌握了很多高技術,但我認為不能因為我們發展了,就以為國外不行了,不是那么先進了。至少在科學和高技術上,我們跟國外還有相當的距離,還是需要抱著學習的態度。

      我作為國家改革開放后比較幸運的一代人,有機會走出國門。我自己感覺,國內的大學本科教育為我們打造了非常好的數理化功底,這是中國教育的特長。90年代初出國后,我們才開始接觸現代科技研究和現代化的儀器設備,從國外學到了很多科研知識和能力,同時我也耳濡目染地從我的博士和博士后指導教授那里學會怎樣培養研究生、如何組織科研,怎樣跟國際接軌。實際上,我團隊的很多科研管理模式、培養學生方式還延續著海外留學時學到的經驗,當然,也根據實際情況做了一些調整。總之,我的留學和國際交流經歷讓我不僅學到了科學知識、科研能力,還學會了現代科研的組織模式。

      中國教育和科研計算機網:很多青年科學家在科研工作中有物質生活上的壓力或者科學研究的迷茫,對此,您有什么建議或者忠告給到現在的青年科學家?

      沈波:忠告就是要甘于坐冷板凳。我1995年開始做第三代半導體研究,也一直是默默無聞,從講師到副教授再到教授一步步走過來。雖然社會上很多人抱怨體制問題,但我認為不管是整個中國的體制,還是大學、研究所的體制,都不會埋沒人才。我們國家很多的優秀企業家、政治家、科學家也不是靠裙帶關系成長起來的。所以青年學者要甘于坐冷板凳,在一個認準的領域持之以恒,不要去趕時髦,經常換熱點。我相信中國的高等教育評價體制、科研體制會不斷地改進和完善,以適應國家現代化的需要。

      現在由于種種原因,北京等大城市的年輕教師經濟壓力比較大,但是政府和學校也在幫助解決這些問題,這有一個過程。我當年作為青年教師,在學校筒子樓里住了很多年。國外也是一樣,沒幾個年輕學者在大城市買得起房子,我覺得這不是不可克服的困難。年輕學者只要真正做出成就,就一定會有回報,關鍵是要做出別人做不到的成果,這是關鍵。

      中國教育和科研計算機網:您還有沒有什么要補充的或者特別想談的?

      沈波:我補充點個人的感受。我們這代人很幸運,2018年是改革開放40年,我們這代人恰恰是國家改革開放40年的參與者和見證者。

      我是江蘇揚州人,1978年江蘇省第一次恢復重點高中統考,我考進揚州最有名、最好的揚州中學。我當時一點沒有意識到,回頭再看,才發現這是跟最早的改革開放步驟結合在一起的。后來我進了南京大學物理系學習,南大物理系是當時全國最強的物理學科之一,那時還有個剛摘了帽的"右派"老師給我們上《數學物理方法》課。我當時只是好奇,現在回過頭來看,那確實也是跟當年平反冤假錯案、撥亂反正聯系在一起的。一批杰出的教授解放了,重返了教書育人崗位,我們受到這些大師的熏陶和教誨。后來我到中國科技大學讀研究生,工作后又趕上國家對外開放要大批派遣留學生,這樣我就跟著這個大潮出國留學。現在回過頭來看,雖然有個人努力的成分,但確實跟國家改革開放的大勢是緊密結合在一起的。從這個意義上講,個人命運和國家命運是分不開的。

      我那時讀大學也好,讀研究生也好,國家還給我們生活補貼,也不需要家里負擔生活費,這是時代特色,所以我們這代人的家國情懷重一點。我們這一代人的成長跟國家的改革開放路徑非常吻合,應該是國家的改革開放培養造就了我們這一代人。從我個人角度來講,雖然現在做出了一點小小的成就,但首先應歸功于國家大的發展趨勢和很好的改革開放政策。

      現在我們國家發展到了一個新的階段,面對一些新的困難和問題,跟西方的關系也發生了一些變化。但我認為依然需要堅持和深化改革開放,在進一步的改革開放中解決面臨的新問題,只有這樣我們國家才能得到進一步發展,真正邁進發達國家行列。

      謝謝!

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