趙德剛：只做國家有需要的研究｜弘揚新時代科學家精神
2020-10-23 中國科學報作者 |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餘年來，中國科學院半導體研究所（以下簡稱半導體所）研究員趙德剛幾乎每天泡在實驗室裡，周圍同事同學對他的行蹤了如指掌。
趙德剛所從事的半導體光電子材料與器件事業是資訊時代的基石。
在這個朝陽產業裡，他沒有向著「高產」的新型材料奔去，而是選擇堅守展現出應用價值但研究步入深水區的傳統材料——氮化鎵，並鑽堅研微，克服種種困難，帶領團隊研製出國內第一支氮化鎵基紫外雷射器、大功率藍光雷射器。
「我是國家培養出來的『土著科研人』，用實際行動回報祖國是我的夙願。作為一名科研人，國家的需要在哪裡，我的研究方向就在哪裡。」趙德剛說。
趙德剛 中科院半導體所供圖
艱難的領域 巨大的難題
簡單來說，半導體研究有兩大類，微電子和光電子。
集成電路、電晶體在微電子研究的範疇內，而光電子研究多指雷射及相關產品。
上世紀90年代，中國的微電子行業相對落後，在電子科技大學學習了7年的趙德剛深深為這個專業著迷。在這期間，他申請加入了中國共產黨。
1997年，進入半導體所進一步學習之後，趙德剛發現我國對半導體器件需求巨大，但世界上生產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。
氮化鎵是繼矽、砷化鎵之後的第三代半導體，其光譜覆蓋了近紅外到深紫外全波段，且熱穩定性好、抗擊穿、耐腐蝕，在光電子學和微電子學領域具有巨大應用潛力。
目前，基於氮化鎵材料的藍光發光二極體已經走進了千家萬戶，引發了照明產業的革命。
日本學者赤崎勇、天野浩和中村修二也因發明「高效藍色發光二極體」獲得2014年諾貝爾物理學獎。
作為另外一種高端光電子器件，氮化鎵雷射器在雷射顯示、雷射加工、雷射醫療等領域有重要應用。
但雷射器技術難度大，是國際化合物半導體研究的熱點和制高點。
「要做出藍光雷射器，必須生長出高質量的氮化鎵材料。」
趙德剛介紹，由於缺乏匹配的襯底，氮化鎵外延材料質量長期困擾著世界各國學者。
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。
當時，國際領域諾貝爾獎獲得者中村修二做出來在室溫下900平方釐米/伏特·秒電子遷移率的氮化鎵材料，遠遠超過了平均水平。
「900這一數字在當時被認為是不可超越的。」 半導體所助理研究員梁鋒說。
當時，課題組面臨的最大問題是氮化鎵材料能發光但無法激射，一向開朗樂觀的趙德剛也發愁了，飯都吃不下去。
閱讀文獻後，趙德剛發現做出高質量的氮化鎵材料並沒有絕招，關鍵是要找到影響電子遷移率的散射機制，並掌握減少散射中心數量的方法。
因此，趙德剛深入研究了緩衝層原理，同時結合材料光學、電學、結構性質的分析，發現了缺陷產生和湮滅的物理過程，提出了獨特的MOCVD外延技術。
2004年，他們終於實驗生長出高質量的氮化鎵材料，在室溫下其電子遷移率超過1000平方釐米/伏特·秒，這也是國際上MOCVD外延氮化鎵材料的最好結果，得到了國內外廣泛認可。
「這只是局部超越，整體上我國與日本這樣的技術先進的國家還有差距。」趙德剛說。
獨到的眼光 獨特的思路
研究出世界頂級的高質量氮化鎵材料並不意味著雷射器的研製成功。
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。
「碳雜質的作用可能不簡單，碳雜質的研究不能停止。」這個聲音縈繞在趙德剛心中。
進一步研究發現，碳雜質在p型氮化鎵中扮演著「破壞者」的角色。
通過結合生長機理的研究，課題組掌握了抑制碳雜質的方法，製備出高質量的低溫p型材料。
「碳雜質在其他材料中有沒有這種現象？」課題組順藤摸瓜，發現碳雜質在量子阱中的作用也是破壞性的。
「碳雜質難道沒有優點？」趙德剛帶領課題組發現，歐姆接觸中，適當引入碳雜質有助於電流的輸入和輸出。
三連問逐漸形成了對碳雜質的系統性研究。
「我總是從當前的課題中發現下一個課題，很少是從熱點、報告、文獻中獲得課題。」
趙德剛說，「半導體研究應該立足國家需要，被國外牽著鼻子走不太容易形成自身的研究特色、產生國內需要的研究成果。」
解決問題的能力源於實踐
2012年，趙德剛指導研究生研究量子阱。
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研究中引用了該結論。
當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。
「半導體是理論與實踐結合密切的行業，技術積累很關鍵，必須沉下心做積累，才有可能在研究中獲得突破。」趙德剛說。
趙德剛承擔了許多研究任務，平時基本「釘」在實驗室，但他依然保持著看書的習慣，他認為理論學習不能放下，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是發現問題，最大的本事是解決問題。
以從事20餘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用價值的材料之一，一旦獲得突破將為整個產業帶來改變，而新型材料走上應用可能還需要更漫長的道路。
他時刻關注氮化鎵材料和光電器件的研究進展與熱點，有點近乎「痴迷」，這種研究風格也感染著他的學生。
「博士階段選擇研究方向時，新型材料研究容易發論文、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後，我毫不猶豫選擇了氮化鎵，並且畢業後留所繼續從事這項事業。」梁鋒說。
為國家半導體科技事業發展培養後備力量，是趙德剛的心願。
在趙德剛的鼓勵下，其博士生還推導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。
「發展半導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，在科研實踐中實現個人價值。」趙德剛說。
《中國科學報》 (2020-10-23 第1版 要聞)
編輯 | 趙路
排版 | 郭剛
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