新型半导体材料的破局与博弈

干思思

落后就要挨打，这句话在任何年代，都是不争的事实。

2020年，除了新冠肺炎的强势入侵，华为还不得不承受美国的围追堵截。这一年，华为的麒麟系列芯片因为无法制造，华为Mate40因此成为最后一代采用麒麟高端芯片的手机。除了断供芯片，美国制裁的影响，还在不断地扩大。“我们课题组打算在德国进口一台很普通的测试设备，本来是一件很普通的事，但由于我们是做集成电路相关研究的，于是德国方面负责人就很敏感，不断让我们出具各项证明，保证研究内容不会用于军方，而这么大题小做的理由，他们坦承是——怕美国打压。”美国制裁中国的风，到底是吹遍了集成电路和半导体领域的每一个角落。西安电子科技大学宁静副教授平静地说。

宁静主要从事新型半导体材料、器件及电路的研制工作。2009年，她加入中国科学院院士、陕西省最高科学技术奖获得者郝跃教授课题组，在宽带隙半导体国家工程中心及陕西省石墨烯联合实验室支持下，与团队共同推动新型半导体材料在国民经济和国防建设中的应用。虽然美国制裁阻碍了中国信息科技发展的进程，但在科学家们的努力下，即使科研过程中会遇到怪石嶙峋，但这股士气终究不可抵挡。

“战争”起，唯有杀出重围

2020年，随着华为事件的不断发酵，人们通过新闻大致了解了这项“卡脖子”技术，但说起这项技术，宁静记得她高考填志愿的时候，家乡的邻居们并不知道什么是半导体研究。相对普通人的“后知后觉”，宁静的选择显得前瞻性十足。

从进入微电子学和固体电子学专业开始，宁静就踏入了半导体材料研究领域，随着领域研究的不断发展，她的研究方向和工作重点也在不断进行着调整。因此，从宁静的科研生涯中，可以窥得半导体材料的简略发展史。

宁静读研时期，国家已经意识到集成电路和半导体研究与国外存在一定的差距，但当时因为种种原因并没有重视。也因此，宁静毅然投身于新型半导体材料研究领域，她认为，越是落后的领域越需要人来建设灌溉。而到了她攻读博士学位期间，石墨烯问世。郝跃院士意识到，这种材料可能是下一代芯片的理想之材。在他的建议下，宁静前往美国从事石墨烯材料及器件的应用探索，成功跻身半导体领域研究的最前沿。回国后，宁静开展新型半导体材料研究，此时，国务院也将半导体产业纳入国家发展战略中，半导体研究曙光初现。然而没过多久，中美发生贸易摩擦，美国疯狂打压中国，以半导体和集成电路为着力点，美国和其同盟国通过封堵技术、设备等手段，掣肘中国半导体和集成电路发展，使得中国半导体研究的处境举步维艰。

“除了胜利，我们别无选择！”面对美国打压，任正非发出悲壮呐喊。这一声呐喊，传遍了半导体企业上下游，也重重地落在了宁静的心头。没有一个冬天不会過去，没有一个春天不会到来，中国的芯片不可能永远被卡住脖子。在特殊时期，经历了一次被制裁的不堪后，宁静的心底燃起强烈的欲望：在新型半导体材料研究领域，我们要达到世界领先！

目前，宁静主要以新型半导体材料为研究对象。所谓新型半导体材料，就是包括以碳化硅、氮化镓为主的第三代半导体材料和以石墨烯为主的一种新型二维半导体材料。在三代半导体材料中，第三代新型半导体材料被认为是摆脱集成电路被动局面，实现芯片技术追赶和超车的希望。所以为抢占新一轮半导体材料研究制高点，宁静一刻也不敢停歇，不断在自己的研究领域发光发热，为研究的大步向前贡献自己的力量。

从进入郝跃院士麾下开始，宁静的研究思路就紧紧围绕应用展开，她的大面积单晶石墨烯技术和石墨烯超级电容技术研究等已经进行了科研转化，目前以石墨烯为基础的氮化镓柔性LED研究，也正在做应用推广。

宁静介绍说，近年来，航空航天、新能源以及生物医学等领域对于柔性化、多功能集成、高密度集成和器件微型化的需求日益增加。因此，发展柔性半导体异质材料功能器件成为突破当前技术瓶颈的重要环节和关键方向，而柔性GaN的制备更是当今国际高度关注的研究热点。但是，激光能量密度分布不均匀使得氮化镓薄膜突起破裂，很难得到大面积连续无损的氮化镓薄膜，这使得GaN的柔性器件发展受到严重阻碍。

在各显神通的国际拉锯战中，宁静及团队大胆假设、小心求证，经过反复试验后，他们率先提出了短程堆垛层错构造机理，找出了低缺陷柔性GaN外延材料的方法；另外，他们利用准范德华外延机制增强GaN成核过程中的横向合并，成功降低了外延层中的位错密度；此外，与激光剥离GaN相比，团队剥离后的柔性GaN材料螺位错密度保持在3.5×107cm-2，剥离面积高达到2英寸，表面粗糙度仅为0.176nm，降低了2个数量级，满足了当前光电器件的需要，达到国际领先水平。

在“去美化”的国际形势下，中国科研推进变得异常艰难，但越是孤立无援，越要浴血奋战。在新型半导体材料比赛的第一回合中，宁静及团队以不服输的韧性，领先制备出高质量、无应力的柔性GaN外延层，成功实现了可剥离柔性GaN紫外LED在560mA的小电流下达到260.5mW光输出功率，达到国际最高水平。

设备会有的，芯片会有的，一切都会有的。在政府、学校、企业的共同努力下，未来中国的半导体和集成电路必将走出一条不再受人掣肘的自力更生之路。宁静畅想道。

没有牺牲 何谈未来

美国制裁华为公司，打压中国的半导体和集成电路研究，说到底，无非是冲着5G技术去的。所以在外围强烈的攻击下，留给整个半导体和集成电路研究的时间并不长。“已经到这个时间点了，所有事情必须快速解决。”身处半导体发展洪流中，宁静很早就感知到平静湖面下的暗流涌动，所以她也很早就做了准备。

传统半导体技术落后的原因有很多，人才流失是其中关键因素之一。任正非也曾公开发声：“修桥、修路、修房子，已经习惯了，只要砸钱就行了，这个芯片砸钱不行的，得砸数学家、物理学家、化学家，中国要踏踏实实在数学、物理、化学、神经学、脑科学，各个方面努力地去改变，我们才可能在这个世界上站得起来。”宁静对此观点十分认同。所以，在人才储备上，她格外上心。

在学生资质选拔上，她尤其注重团队合作能力。她解释说，随着现代科技的发展，想要成功完成一项工作，单靠一人之力可能无法实现。特别是在那些程序化、标准化极强的研究里，团队合作很大程度上关系着科研的成败。在这种情况下，学生的团队合作能力非常重要。

在学生科研辅导上，为了创造沟通的氛围、培养学生的表达能力、驱动学生自主学习，每周至少一次的组会宁静从不缺席。“只有一次，因为我当时在生孩子。”除了那一周中断外，宁静后来的组会再也没有断过，即使是躺在医院休养，她也坚持跟学生开组会。

人才培养不能松懈，科研项目同样要抓紧。宁静笑着说：“集成电路和半导体领域企业最突出的特点是什么？是员工几乎没有休息时间，其实科研也是一样，我们承担着大大小小很多重要的科研项目，必须抓紧时间去做。”所以即使没有遇到美国的制裁，在当今全球化的激烈竞争下，宁静做科研也经常是分秒必争。

目前，“十四五”国家研发计划已经明确将第三代半导体列为重要发展方向，企业在集成电路和半导体技术领域也开始大规模投入。在一整条产业链的齐心合力之下，中国无论如何都不会再错过新一列半导体列车。虽然，在集成电路和半导体技术领域，一项技术的突破可能需要10到20年，或者需要更长的时间，但宁静做好了准备。