锑化物半导体开拓先锋——记中国科学院半导体研究所研究员牛智川

李 莉 王 辉

牛智川参加锑化物半导体技术成果合作发展座谈会

半导体，与计算机、原子能、激光科技并称为当代科技文明标志性四大领域。半导体科技经过约70年的发展，科学理论不断完善，材料器件应用日益广泛，已经成为世界各大国强盛的战略根基。我国科技界将半导体材料体系的拓展称为三代半导体，也就是硅或锗基、砷化镓或磷化铟基、氮化镓或碳化硅基材料三大体系。基于这三代（类）半导体形成的大规模集成电路与计算机技术、高速光纤通信与互联网技术、高功率电力电子与能源技术等诸多重大战略应用价值方向，不断推动现代信息技术、能源技术以及人工智能技术的进步和发展。

囿于时代背景和工业基础，我国的第一代、第二代半导体科技水平长期落后于人。进入21世纪后，半导体科技发展规划全面步入国家战略层面。2020年9月4日，一则“我国将把大力发展第三代半导体产业写入‘十四五’规划”的消息，更是引发市场对功率半导体的瞩目，以氮化镓、碳化硅为首的第三代半导体材料一时间风光无限。当前，伴随量子信息、可再生能源、人工智能等高新技术的迅速涌现和发展，持续催生和驱动半导体新体系微电子、光电子、磁电子、热电子等多功能器件技术的涌现。特别是信息技术向智能化、量子化迈进的重要时期，基于经典的前三代半导体深入挖掘其潜力的同时，也需要开拓新体系、新结构、新功能半导体材料，以满足不断增长的高性能、低成本芯片的需求。在牛智川看来，以G a2O3超宽带隙半导体、锑化物窄带隙半导体、二维原子晶体低维半导体等为核心体系的多种新材料技术中，新型锑化物半导体材料在开拓量子拓扑新效应、推动红外器件制备技术变革两方面占有战略先机地位，是近20年来，国内外半导体材料研究领域呈现出绝无仅有的兼具基础研究科学意义和确定性重大应用前景的新材料体系，作为在相关研究方向走在全球前列的团体之一，中国科学院半导体研究所牛智川研究员团队领衔了我国锑化物半导体的开拓与发展。

走近锑化物半导体

什么是锑化物半导体？在回答这个问题之前，先来认识一下半导体。顾名思义，半导体就是指在常温下导电性能介于导体与绝缘体之间的材料。相比导体和绝缘体，半导体的发现是最晚的，但也可以追溯到19世纪上半叶。

1833年，英国科学家、“电子学之父”法拉第最先发现硫化银的电阻随着温度的变化情况不同于一般金属，即随着温度升高，电阻率指数会减小，这是半导体现象的首次发现，也是半导体被发现的第一个特性。6年后，年仅19岁的法国物理学家亚历山大·贝克勒尔发现，半导体和电解质接触形成的结在光照下会产生电压，也就是后来人们熟知的光生伏特效应，这是半导体被发现的第二个特性。1873年，英国的史密斯发现硒晶体材料在光照下电导增加的光电导效应，这是半导体被发现的第三种特性。次年，德国航天工程师布劳恩观察到某些硫化物的电导与所加电场的方向有关，即它的导电有方向性，在它两端加一个正向电压，它是导通的；如果把电压极性反过来，它就不导电，这就是半导体的整流效应，也是半导体被发现的第四种特性。

虽然半导体的这4个特性在1880年以前就先后被发现了，但“半导体”这个名字直到1911年才被考尼白格和维斯首次使用，而总结出半导体的这4个特性的工作一直到1947年12月才由贝尔实验室完成。也是在这一年，因为锗材料晶体管的诞生，让半导体材料真正走上了历史舞台。尽管这时距离半导体的第一个特性被发现已经过去了100多年，但在其后几十年间，半导体几乎引领了整个信息化、数字化时代的发展。

“半导体已经从‘20世纪四大发明’之一发展成一个全人类的战略性支柱领域。我们现在所有的信息化、数字化、智能化设备都离不开半导体。”牛智川说道。

利用半导体制造的晶体管是芯片的最小单位，也是电子信息设备的基础元件。在牛智川看来，半导体科学成为信息时代的战略性科技领域，首先得益于20世纪初量子理论在固态体系中的衍生发展与深入完善，同时又依赖于半导体制造技术的创新迭代与产业应用。

纵观半导体100多年发展历程会发现，半导体技术一共历经了3代更迭，而这里的代际主要是根据半导体制造材料来划分的。

第一代半导体的材料是Ⅳ族硅（Si）/锗（Ge）体系。在20世纪90年代之前，以硅材料为主的半导体占绝对的统治地位。直到目前，半导体器件和集成电路仍然主要是用硅晶体材料制造的，硅器件占了全球销售的所有半导体产品的95%以上。

第二代半导体的材料是Ⅲ-Ⅴ族砷化镓（GaAs）/磷化铟（InP）体系。随着以光通信为基础的信息高速公路的崛起和社会信息化的发展，以砷化镓、磷化铟为代表的第二代半导体材料崭露头角，由它制造的半导体激光器更是成为光通信系统中的关键器件，同时砷化镓高速器件也开拓了光纤及移动通信的新产业。

第三代半导体材料即为Ⅲ-Ⅴ族的氮化镓（GaN）/碳化硅（SiC）体系，这也是当前全球战略竞争的制高点、我国重点扶持的行业。相比前两代半导体，第三代半导体材料具有更大的禁带宽度，可以满足现代电子科技对高温、高压、高功率、高频及高辐射等恶劣环境的要求，在航空、航天、光伏、汽车制造、通信、智能电网等前沿行业中拥有大规模应用前景，但仍然面临着单晶生长时间长、技术门槛高、成本高、良率低等诸多问题。

“虽然前三代经典半导体技术持续发展，但已经呈现出难以满足新需求的严重问题，特别是难以同时满足高性能、低成本的苛刻要求。”在牛智川看来，随着量子信息、绿色能源、人工智能等高新技术的不断涌现，开拓更新一代半导体技术是大势所趋。“在光电子、量子、物联、智能等技术需求的强烈驱动下，半导体技术将从硅基半导体主导的微电子时代迈向微电子与光电子半导体技术并重新时代。”而在这种情况下，以Ⅲ-Ⅴ族半导体为核心的光电子材料新一代技术的研究更加重要。

牛智川介绍，目前的新型半导体技术最具发展潜力的体系主要包括：窄带隙的锑化镓/铟化砷化合物半导体、超宽带隙的铝氮化合物和氧化镓材料以及各类低维材料如碳基纳米材料、二维原子晶体材料等。其中，锑化物半导体在凝聚态基础物理方面的研究内涵十分丰富且深刻，在光电器件技术领域尤其是宽谱域覆盖的红外光电芯片方向具有打破传统红外材料的诸多瓶颈，实现全面替代的重大应用前景，当之无愧占据了第四代半导体的核心地位。

“锑化物半导体在开发下一代的红外光电器件方向，具有小体积、轻重量、低功耗、低成本器件及能满足要求极为苛刻的应用等独特优势。”牛智川介绍，锑化物半导体材料主要优势有3点：一是相应的带隙能量覆盖了近红外到数十微米长波的整个红外区域；二是其为当前唯一可以在所有红外波段实现高性能多波段探测和发光光电器件的半导体材料；三是其与现有商用半导体光电器件工艺技术具有高度兼容性，应用性强。

正是因此，从21世纪初开始，锑化物半导体就得到了广泛重视，并从2009年起国外就将锑化物半导体相关的材料和器件列为出口封锁和垄断技术。作为当今世界的战略性支柱产业，半导体的发展直接影响现代信息社会发展的水平，可以说，谁能掌握下一代半导体器件工艺技术谁就拥有了新时期国际话语权。在此形势下，从2005年起，中国科学院半导体研究所聚焦锑化物半导体体系，组织了以牛智川研究员为带头人的研究团队，开始了艰难的自主研发攻关旅程，而他们的立足点就是锑化物半导体红外光电技术的研究。

十年磨一剑，开启国产锑化物半导体光电芯片发展新路

2020年年初的一场疫情，让一种非接触式测温设备——红外体温检测仪走到台前，成为各个国家关注的产品，一颗小小的红外测温探测器亦在一夜之间“一芯难求”。

“高于绝对零度（0K，即-273.15℃）的物质都可以产生红外线，获取红外线其实也就是拓展人眼的观察能力。比如，到了晚上一般我们就看不见东西了，但只要有温度的物体就会辐射红外光，通过半导体红外光学器件我们就能看到，自然就拓展了人类的观察能力。”牛智川说道。

人类的科技进步史，其实也是一部寻找光明未来的探索史。正常情况下，一般人的眼睛可以感知的电磁波的频率在380～750THz，波长在780～400nm之间，也有人可以感知到频率在340～790THz，波长在880～380nm之间的电磁波。而红外线波长在760nm～1mm之间，是一种肉眼看不到的光。

红外热成像技术发展最早始于美国，并长期运用在各类装备领域，是西方发达国家多年来施行制裁和核心技术封锁的重要手段。过去，欧美等国家长期对我国实行核心技术封锁，红外成像光电芯片技术也成为名副其实的“卡脖子”技术。经过几十年的发展，我国国产红外探测器性能取得长足进步，但整体上仍旧与国外最先进技术存在代际差异。当前，中国科学院半导体研究所牛智川团队率先在锑化物新体系材料方向积极探索，为我国半导体科技界及时把握锑化物半导体器件技术发展机遇、为高性能红外光电芯片形成迭代生态的持续性技术突破直至超越，起到了引领和推动作用。他们在锑化物半导体微纳材料、红外光电器件方向的全方位开拓发展，成为我国基于锑化物半导体实现高端红外光电芯片国产化全链条制造技术的引领者。

牛智川在纪念黄昆诞辰100周年暨半导体学科发展会议上作报告

2005年，德国弗劳恩霍夫协会应用固体物理研究所首次为欧洲新一代大型运输机A400M研发了锑化物砷化铟（InAs）/锑化镓（GaSb）超晶格中波双波段红外焦平面芯片，第一次为锑化物半导体材料的器件应用完成了实用性验证，证明了早年理论上预计锑化物超晶格是理想红外材料的预言，这极大地引发了各国针对锑化物半导体红外光电技术的研究热情。

这一新动向被牛智川团队敏锐地捕捉到，他们迅速组织研究力量，利用有限的研究经费改造20世纪80年代购置的老旧外延设备，由此艰难起步，开启了锑化物半导体材料外延及其物理性质和原型器件的艰难探索。

在没有现成国外研发技术参考并受到国际严密原材料封锁的情况下，牛智川团队充分利用中国科学院半导体研究所数十年来在超晶格物理研究的雄厚基础，从理论计算研究入手，通过改造商用的分子束外延设备，在国产2英寸直径高质量GaSb单晶衬底晶圆上实现了锑化物半导体红外探测与激光材料的高质量外延，系统性研究突破了锑化物半导体外延材料及其红外光电芯片关键技术，并由此带动了中国科学院半导体研究所锑化镓大尺寸单晶衬底的制造技术突破国外封锁。

这十几年间，牛智川团队曾用两年探索成功大失配GaSb过渡材料的外延技术，实现锑化物外延超晶格结构的高质量生长，实现了GaAs衬底上外延GaSb材料的高质量材料，此性能迄今为止依然是已有报道中的最好结果之一。

牛智川团队还进一步结合GaSb缓冲层位错过滤技术降低大失配位错，最终成功实现了不同周期厚度的近红外和中红外锑化物超晶格半导体材料，第一次开发了2μm波段的锑化物超晶格探测器，这是国际上首次基于锑化物开发超晶格近红外光电器件，更是国内第一次获得的锑化物材料体系的红外探测器。

在国外停止对中国出口GaSb衬底的困难时期，半导体研究所材料室研究团队在较短时间内独立开发了2英寸开盒即用外延级GaSb衬底并实现了小批量生产，此后又扩大到4英寸，产品性能接近国际水平，实现了材料国产化目标。

同时，牛智川团队还设计制备了锑化物InGaAsSb量子阱中波红外激光器，首先实现2μm锑化物量子阱激光器的室温连续激射，并实现了第一只2μm分布反馈式（DFB）窄线宽激光器的室温连续激射。

不仅如此，牛智川团队还成立了国际上第一个专门针对锑化物体系的研发中心——锑化物窄带隙半导体研究中心，极大地推动了锑化物半导体从基础理论、单晶衬底、外延材料、核心器件与系统集成的全链条技术的发展和研发能力的大幅度提高……

十余年磨一剑——牛智川团队在锑化物半导体光电器件性能上的突破，成为推动我国相关单位针对锑化物半导体新体系开发红外器件应用的技术源泉。自2009年起，牛智川团队先后为中国洛阳光电器件研究所、昆明物理研究所、华北光电研究所、中国科学院上海技术物理研究所、中国科学院长春光学精密机械与物理研究所、中国科学院物理研究所、哈尔滨工业大学、南京大学、复旦大学、首都师范大学、中国科技大学、武汉高德红外股份有限公司等各行业研发机构/科技企业提供核心技术并与之开展深度合作。

在各方坚持不懈的努力下，截至目前，团队已经开发了2～20μm覆盖的锑化物超晶格的红外单色焦平面和红外双色焦平面芯片，研制了1.8～3.8μm红外波段锑化物量子阱单模和大功率激光器，其中，大功率激光器单管、巴条、叠阵组件的室温连续输出功率获得持续突破分别达到了2.6W、18.4W、172W，单模激光器在60mW输出功率下边模抑制比达到57dB的国际最高水平。

在此基础上，团队还联合国内产学研用各方面力量，发起成立了锑化物半导体技术创新与产业发展联盟，通过联盟方式针对各方需求，为国内各装备行业及高科技企业开发多功能高性能光电芯片，推动长期受限于国外技术封锁的红外高端光电芯片的自主可控全链条技术进步，实现部分性能的超越领跑和满足各类需求的全链条解决方案。

在国家自然科学基金重大项目“锑化物低维结构中红外激光器基础理论与关键技术”等项目资助下，牛智川团队取得了“锑化物红外量子阱激光器”技术成果。成果在锑化物量子阱激光器能带结构设计、外延材料技术方面创新性显著，激光器的综合性能达到国际先进水平，其中器件光电效率和室温输出功率处于国际领先水平，特别是关键的输出功率性能已经超越了国外禁运指标，成功突破“卡脖子”难题！

“从零起步，到推动整个锑化物半导体红外光电产业链发展，我们走了十余年。这中间有很多人不理解，也有很多人离开，但我觉得要做真正的科学应用，必须‘十年磨一剑’，因为热点永远也追不完，只有踏踏实实干一件事才有可能成功。”牛智川说。

“我们的目标是实现锑化物半导体的广泛应用”

进入21世纪以来，国际科学技术日新月异。随着互联网的飞速发展，大数据、云计算、人工智能、区块链等一系列高科技名词更是让人眼花缭乱。“材料领域也是一样，如果我们今天觉得纳米材料好，明天觉得二维材料好，到最后永远也追不完，每个领域都是浅尝辄止，即使有了重大发现也来不及应用。”身在半导体领域，牛智川对此一直有着清醒的认识，“我们这个学科不像天文地理可以纯粹进行探索性研究，它是基础理论到最终应用的结合，所有的研究都有一定的目标驱动。”

牛智川说，回顾人类科技文明发展史会发现，最初的发明创造都是由更好生存的目的驱使。在此物质基础上，人们才有了探索自然的时间和欲望。诚然，科技发展到如今，一个国家总要有一些仰望星空的人才有希望，但也需要更多的人脚踏实地，解决实际问题才能屹立不倒，这也是牛智川团队对自己的定位。“我们的研究一定要与国家、经济目标以及人类生存需要相结合。”牛智川说道。

国家重点研发计划量子专项、国家自然科学基金重大项目、国家重大科学研究计划纳米专项……这些年来，以国家需求为目标，牛智川团队承担的国家重点任务越来越多，但立足点始终只有一个——锑化物半导体。

锑化物半导体技术发展物理内涵丰富，既有经典光电效应，又有前沿拓扑量子效应，研究方向包括高性能红外激光器、高灵敏多波段探测器、超高速微电子集成电路、热电制冷器件等，应用前景广阔。

“当前，半导体技术的代际更替已经进入了微电子与光电子技术的并重发展时代，锑化物窄带隙半导体呈现出第四代半导体光电芯片技术发展的重大潜力。”2023年7月，国家商务部明确将锑化镓（各种形态）材料均列入对外实施出口管制清单，充分证实了该锑化物材料体系在国家核心技术竞争中的重大战略价值。牛智川说，他们未来的发展目标将以锑化物半导体光电材料与芯片为中心，面向智能化信息技术新时代广泛需求，建设完整的技术创新与产业制造链条，为国家强盛和社会发展贡献点滴之力。