为了中国的半导体事业

陈道隆 高妍

她出生在河北乐亭，他来自河北文安。

她是清华大学第一批半导体专业高材生，他是北京大学物理系半导体物理专业毕业生。

她是我国早期微电子学研究的开拓者之一，他是我国半导体光电子研究的领军者之一。

她是中国科学院院士、中科院微电子研究所研究员吴德馨，他是中国科学院院士、中科院半导体研究所研究员王圩。

从参加工作到今天，历经近60年风雨，他们始终把为祖国半导体事业的发展奉献力量作为奋斗的目标。共同的理想与追求让他们走到一起，漫长而艰苦的科研路上，他们选择相互扶持，共伴一生。

今天，我们一起走近这对院士伉俪的“半导体人生”。

日以继夜觅高峰

从上世纪60年代开始，他们的研究重点一直在变。

从晶体管器件，到集成电路存储器，再到化合物半导体器件与集成电路，最后到如今的垂直腔面发射激光器，吴德馨院士的研究历程丰富而扎实。而王圩院士也从最初的硅材料研究，转变为后来的化合物材料与器件，最后投入半导体光电子功能材料和光子集成器件的海洋，深挖至今。

无论研究重点如何转移，研究手段如何变化，他們始终坚持服务于国家的战略需要，服务于我国半导体产业的发展需求。在超过半个世纪的时间里，他们潜心笃志、日夜求索，所奉初心始终如一——为了中国的半导体事业。

记者：半导体产业是国家的命脉产业，这一认知如今已成为全民共识。您二位都是从上世纪六十年代就开始从事半导体材料与器件相关研究的，当时我们国家的半导体产业处于怎样的水平？

吴德馨：我们俩都是上世纪60年代初大学毕业，学的都是半导体，一毕业就都分到了中科院半导体研究所。他（王圩）1960年，我1961年大学毕业。半导体所是1960年刚刚成立。

1956年，咱们国家开始编制《十二年科学技术发展规划》，也就是《1956～1967年科技发展规划》。这是新中国第一个长期科技发展规划，提出了当时国家新技术发展的“四项紧急措施”——计算机、电子学、半导体、自动化，要求相关部门集中全国科技力量，进行人员培养和科技攻关。中科院物理研究所半导体研究室就是在这个背景下成立，到1960年，以研究室为基础，扩大为中科院半导体研究所。

那时候全世界的半导体技术都刚刚兴起，我们的老一辈科学家们也都看到了半导体的发展趋势。当时规划里也提出了半导体发展的几项任务，器件方面就有高频晶体管、高速开关晶体管、低反向电流二极管等等。我们刚毕业到半导体所之后，就是做“十二年规划”提出的任务。

当时一无资料，二无图纸，全靠自己摸索研究，但我们还是提前完成了任务。可以说我们那时候并不太落后，起步不晚，做得速度也不慢。

记者：两位具体做了哪些工作呢？获得了哪些代表性成果？它们对之后的相关研究或产业发展产生了怎样的影响？

吴德馨：我最开始在王守觉先生领导下负责做硅平面型高速开关晶体管，做出来之后开关速度、阈值电压等指标跟国际同类产品水平差不多，后来推广到了109厂（我国第一个半导体器件生产厂），又推广到全国，当时13所、上海元件五厂都到我们所来学习过。这个器件后来还用到了“两弹一星”用的计算机——109乙机上，经济效益和社会效益都不错。

1975年，半导体所开始做大规模集成电路，我们就做出了4K位的动态存储器，又在1980年做出来16K位，后来又完成了64K位动态随机存储器。那时候国际上集成电路发展很快，虽然我们的研究速度也很快，用一年时间做出了国际上三年才完成的工作，但我们的设备一直比较落后，所以生产就有困难，成品率的性能也确实不如国外。

改革开放以后，我们改做专用电路，在1980年代末期自主开发成功了3微米的CMOSLSI全套工艺技术，用于专用电路的制造。从3微米，到2微米、1微米，再到0.8微米……这么一直做下来。在1990年代，我们又独立自主开发出了全套的0.8微米CMOS工艺，并应用于实用电路的开发。

我们还研究开发以砷化镓为基底的化合物半导体器件、电路。苏联解体以后，国内外很多做砷化镓的军用、民用项目都下马了，但我觉得砷化镓是一个必然的趋势，它有很多优点，比如速度快、功率大、抗辐照等，我当时是副所长，就向院里申请了40万块钱，准备做起来。

但项目拿到之后没人愿意牵头做，都觉得没什么前途，没办法我就带研究生自己做。现在看来，我们方向选对了。大量的手机里的功放需要砷化镓，民用这个大市场热起来了。也就从这时候，我转到了化合物半导体材料和器件研究。

我们做得还不错，成果也不少，比如做出了0.1微米砷化镓/铝镓砷异质结高迁移率场效应晶体管，截止频率达89GHZ;研究成功了砷化镓/铟镓磷异质结双极型晶体管（HBT），截止频率达92GHZ;还在国内首先研制成功了全功能砷化镓/铟镓磷HBT 10Gpbs光纤通信光发射驱动电路等等。

10年前，我把化合物这一块交给了学生，改做光电集成。这是一个新的发展方向，光和电总是不可分的，光需要电来驱动，又需要电来探测，光电集成就是把电子和光子器件集成在一个芯片上。我们利用MEMS结构实现了激光器和光纤的无源耦合，成功做出了工作速度达2.5Gpbs的光发射模块。

做光电集成得有光发射器件，面发射激光器具有其固有的二维集成的优点，它面向数据中心和超级计算机内部光互联应用，能够最终实现高密度光电集成。我们就又做垂直腔面发射激光器（VCSEL），现在单管速率做到了25Gpbs，面阵做到了300多个器件，还不错。

记者：王院士您呢？您是从什么时候开始做激光器研究？又取得了哪些代表性成果？

王圩：我最初做硅材料，研究硅单晶，后来根据国家需要开始做Ⅲ-Ⅴ族化合物，做外延研究，就是研究在一个衬底上做几个微米的Ⅲ-Ⅴ族化合物薄膜，后来又在这个基础上做扩散p/n结化合物激光器。我一开始是在材料室，只做材料，但做的过程中发现激光器的结构和材料的生长是分不开的，在材料生长的过程中就把一部分器件结构长出来了，所以既要懂材料，又要懂器件设计，两者密不可分，还是放在一起比较好，于是我就调到器件室了，又做材料又做器件。

我们开始激光器研究，是在1979年底，比国际上开展得稍晚。20世纪70年代末，美国MIT林肯实验室的美籍华人谢肇金采用液相外延技术实现了InP（磷化铟）基1.31微米和1.55微米InGaAsp/InP双异质结激光器的室温连续工作。至此，光纤通信开始从0.85微米段波长的多模光纤传输向采用InP基长波长激光器为光源、以1.31微米零色散和1.55微米低损耗波段的单模光纤为传输介质的第二代光通讯体系过渡。

我们半导体所光电子研究室也在1979年底及时地开展了InP基长波长激光器的研究工作，成立了由彭怀德负责的1.3微米激光器研究组和由我负责的1.55微米激光器研究组。

通过调整InGaAsp四元体材料有源区的组分，摸索外延层结构和逐层掺杂浓度，解决器件的条形结构问题，我们于1981年率先在国内得到了室内连续工作的1.55微米激光器。

后来随着国际光纤通信事业的发展，又面临巴黎统筹会对我国先进科学技术和敏感产品的禁运，我们遵照国家在光电子发展的战略要求调整了研究方向，一方面为满足当时光纤通信的要求，自力更生地研究实用化的无制冷長波长激光器，另一方面着眼于探索未来大容量、长距离通讯发展用的光信号源。

在这样的情况下，为了提高光通信的传输带宽和传输距离，我们就必须开发出一种在高频调制下仍然可以单模工作的动态单模（DSM）激光器作为光信号源。

当时受禁运的限制，不能引进MOCVD设备，用液相外延方法又面临着选模用的、深度几十纳米的光栅结构被随后外延生长时回溶的难关，我们为此进行了一系列的实验，才找到了满意的抗回溶技术，最终在1988年底，研制出了国内首批1.55微米动态单频分布反馈（DFB）激光器，解决了国内发展第三代长途干线大容量光纤通信的急需。

到1990年代，我们又在国内首先研制成功了应变量子阱1.55微米DFB激光器，使中国光通信用激光器的研究和国际新一代能带工程研究接轨。

近些年，我和同事们指导研究生利用半导体材料带隙剪裁技术平台，制作了瓦斯探测用的大应变量长波长1664nmDFB激光器，并已开始试用于煤矿安全系统，建立了用量子混杂（QWI）和选区外延生长（SAG）相结合的技术，研制成功10-25千兆码率（Gb/s）电吸收调制的分布反馈（DFB）激光器和可调谐的电吸收调制DFB激光器发射模块，奠定了在国内研制含有多个不同带隙波长区域的单片多功能集成材料的基础。在此基础上，已经把我们的多型号器件转移到了公司批量生产，并得到了国内知名通信系统制造商的认可。

愿学猛士唱大风

两位院士都是很低调朴实的人，不吹嘘成果，不炫耀奖励，更不逃避面对问题。采访中，我们深刻体会到了这一点。

吴德馨说，我个人不支持集成电路产业跟风上大线，应该先集中人力财力做成功几条生产线，逐步推广经验再扩大建更多的集成电路生产线。

王圩说，我们需要的是得到市场认可的、过硬的成果，这不是发多少论文得多少奖可以判断的。

…………

殷殷话语，切切希望，为的还是中国的半导体事业。

记者：作为业内专家，您二位对于我国半导体行业的可持续发展，有怎样的建议？

吴德馨：现在行业里有这么个问题，凡是国外能买到的器件，国内就算做出来了也没有企业愿意给试用。也确实是费人力费物力费时间，但我们要发展，总要有自己的东西，不试用怎么知道有什么缺点，怎么改进呢？希望我们自力更生研发出来的产品，能够得到用户的支持。

所以国家要有政策，能不能国家科技部给点补贴，鼓励企业试用我们自己的研究成果。

王圩：还有一个情况，就是做器件的不如做系统的。因为赚钱的还是在后面，所以做系统的多，但真正打基础的还是在器件。像中兴、华为一出事，就觉得慌了，所以国家对基础研究，还是应该更重视一些，多支持一些。

做应用研究，不是发文章凑个数就行的。我们需要的是过硬的东西，能够经过市场检验、得到客户认可的东西。根基要打牢，这样才能慢慢解决眼下的困难。

记者：2018年5月，河北省政府办公厅出台《关于加快集成电路产业发展的实施意见》，河北省将以“固基强芯”为总体思路，补短板、强弱项，加快推动全省工业转型升级。两位都是河北人，对于家乡的集成电路产业发展有哪些意见建议？

吴德馨：集成电路行业是国家一号召，全国都响应，好多地区上生产线。我个人不支持这样做，觉得有几点不合适。一是资金分散，投入太大。二是人才缺乏，特别是高端工艺制造人才和高级管理人才。集成电路产业跟别的行业不一样，涉及到几百上千道工艺，每一道都要求严谨精细，需要优秀的管理人才统筹协调。三是市场，我们国家的市场确实很大，但大部分被国外企业占据，本土企业大多在中低端市场生产，一时能竞争得过吗？所以我希望国家能够集中力量先搞几条好线，等有了经验再慢慢扩展。

对河北省来说，如果没有这么大的财力、实力和人力的话，我建议，不一定建大线，可以做一些比较有特色的东西，比如做模块。另一方面，可以借助老牌研究院所的技术优势，比如石家庄的13所，他们长期为军工服务，在氮化镓领域做得很好。借助这些科研院所的力量，建设技术产品的上下游产业链，做出本省的特色。

记者：两位都曾主持国家重要项目，也带过团队、学生，为国家培养了诸多优秀人才。在打造团队、培养人才过程中，最看中的能力是什么？

王圩：我们做的是应用型研究，研究就是为了应用。所以我们研究组注重培养综合型的人才，着眼于出去工作的时候能够真正独当一面。如果只让学生专攻一项，是在“使用”学生，而没有考虑到学生的发展与成长。

我们组对学生的培养是比较全面的，都是放手让他们去做，培养他们独立工作的能力，真正发挥他们的创造性。比如做MOCVD的生长，整个程序都要自己编、自己做、自己测试，最后做出器件，要全部能懂会用，这样学生培养出来外面都很愿意要。

我们组现在大概有近30名学生在华为，都觉得挺好，有些已经能够独当一面。包括美国、英国、比利时、爱尔兰等国家一些比较有名的公司和大学，也都有我们的学生在那里工作。这说明我们走的这条路是对的。

吴德馨：年轻人做事，应该有兴趣，要热爱自己的事业。有人说我没兴趣，太枯燥了。咱们的微电子事业这么重要，而且发展那么快，里面那么多值得钻研的东西。某个很难的问题，你把它解决了，就会觉得心里充满了快乐，这是多少钱都买不到的。这才是人生呢。所以我鼓励他们，要热爱我们从事的微电子事业。

记者：现在的优秀女科学家有点凤毛麟角的感觉，社会上也有很多关于女科学家流失及高端缺位的讨论，吴院士您如何看待女科学家缺位这一现象？对于化解女科学家的困境，您有怎样的建议？

吴德馨：首先说明一点，现在女科学家做得比我们好的有得是，但也得承认，现在女科学家的总人数确实不如我们那一代人多。

我认为现在有些女同志有点不够自强，自己就覺得不如男同志，这一点也跟大环境有关系。社会对女性的要求更偏向于家庭，但并不是只能牺牲工作才能兼顾家庭，那是把自己最好的东西牺牲了，埋没了自己的才能。女同志要自立、自强，要有决心克服困难，当然，也要创造社会保障条件，幼儿园、小学、寄宿制等配套都要跟上，让女同志没有后顾之忧。

木棉与橡树的呼和

“你有你的铜枝铁干，像刀，像剑，也像戟;我有我红硕的花朵，像沉重的叹息，又像英勇的火炬。我们分担寒潮、风雷、霹雳;我们共享雾霭、流岚、虹霓。仿佛永远分离，却又终身相依。”

舒婷这首《致橡树》，便是吴德馨与王圩两位院士多年相互扶持、各自精彩的最佳注解。

记者：两位是怎样的机缘得以相识？

王圩：相识是很自然的过程。我们毕业之后都被分配到了半导体研究所。她在器件室，做硅的器件，晶体管之类。我在林兰英先生领导下的材料室，最初来到所里是做硅单晶。他们需要硅单晶作为基片来做晶体管。她就总要到我们组里来要材料，这样就认识了。

吴德馨：是，材料有了问题还得找他们研究改进，经常交流慢慢就有了好的印象。

记者：科学研究是漫长而艰苦的，您二位的科研历程都已超过半个世纪。漫漫研究征程中，难题久攻不克的时候，如何保持初心与信心？

吴德馨：我们从小受共产党的教育，做科研就是为了国家为了人民，这种责任感促使我们，拿到任务就是全身心的投入，就一定要做完、做到最好。用现在的话讲，既然承担了就要有担当。

对我来说，这个工作我非常感兴趣。有时候晚上睡不着觉就写啊画啊，就想着明天可以试试这个方案。对他（王圩）来说，就主要是责任，兴趣是后来才培养的。

王圩：当年高考的时候，我第一志愿报的清华建筑系，后来中学党支部找我，让我改志愿学核物理，我才考了北大，转了物理，本来想做建筑的。但学着干着，也就有兴趣了。

记者：两位都是科学家，都很忙，家庭如何兼顾？多年来如何相互扶持走到今天？

王圩：生活上没得说，就是相互扶持。那时候搞研究也是加班加点，老人又年纪大了，家庭负担比较重，孩子不到一岁就送了全托。

研究上，我做光电子，她做微电子，有很多地方可以互相交流。比如她现在做的垂直腔面发射激光器（VCSEL），有些就跟我们原来做的通信光电子器件差不多。所以我们会经常交流，我会给她提很多意见，在研究上互通有无。在家里也经常聊，有共同语言，能说一块去。

吴德馨：就是互相支持吧。我忙了，他就负责家里的事，他忙了，就是我负责家里的事，互相理解。我当年做存储器的时候，有时候就睡在实验室地板上，不回家，孩子都是他管。

那一年他在日本做访问学者，我在109厂做引进的进口设备验收工作，自己带着两个孩子。每天早上来，晚上九点多才能回家，两个孩子只能在外面小摊上买点吃的。我回不了家，也没有电话没法通知孩子，也没汽车，要倒3次公交车才能到家，孩子就在大门口台阶上等。所以做完了4K，验收完了真是全家欢呼。现在想起来，也觉得对不起孩子，对他们的关心不够。

当然我俩也比较幸运，都毕业比较早，有很多好的机遇。能走到今天，跟自己的奋斗有关，也跟机遇有关，也离不开各位领导、老师们的指导和帮助。

记者：现在生活中有哪些兴趣爱好？

王圩：我比较喜欢做一些摄影，看到比较好的景色就用手机抓拍一下。其他也喜欢唱唱歌、做做饭。

吴德馨：我爱体育，爱看比赛，凡是有比赛我都看，除了足球（笑）。他爱看足球，我不爱看。像女排、男篮、乒乓球、体操，最近的比赛我都有看。年轻的时候喜欢打乒乓球，现在老了打不动了，就爱看别人打。

“平安之夜喜相逢，聚首共叙创业情。曾怼巴统誓自立，日以继夜觅单峰*。水滴石穿成正果，凯歌高奏庆光通。霜染两鬓志安在，愿学猛士唱大风**。”这是2017年底，王圩院士在庆祝DFB组创业30周年会上有感而写的诗。

王圩院士这种对科研工作经历的感慨，又何尝不是千千万万半导体人的豪情抒发。正是因为有无数吴德馨、王圩的日以继夜、无私奉献，我们国家的半导体事业才能走到今天，也必将走向新的高峰。