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微电子成就大事业——中国科学院院士郝跃掠影

发布时间:2020-09-30 来源:西部大开发杂志 人气:
   
  微电子技术是高科技和信息产业的核心技术。现代经济发展的数据表明,GDP每增长100元,需要10元左右电子工业产值和1元--3元集成电路产值的支持。因此,这一领域的科研水平,直接影响到社会进步与经济发展。
  
  作为微电子技术领域的著名专家,郝跃以主持多项国家科技攻关、863高科技项目、973计划项目、国家自然科学基金等项目的突出成就,赢得了社会的尊敬和赞誉。从上世纪九十年代开始,他率先在国内展开以氮化镓为代表的第三代半导体材料、器件和集成电路研究,攻克了第三代半导体材料生长的难题,研制出高质量材料生长的设备,实现了最高效率和性能的氮化镓微波毫米波射频功率器件、最高亮度的深紫外氮化镓LED器件,创建了我国第三代半导体氮化镓外延生长、器件结构以及制造工艺的理论与技术体系,使我国在氮化物第三代半导体电子器件步入国际领先行列,这些研究成果,显著提升了我国在移动通信、雷达探测、紫外与深紫外光电器件应用等领域的核心竞争力。
  
  洞幽烛微,怀揣梦想谋大势
  
  出生于1958年的郝跃和许多同龄人一样,青葱年华从云南昆明插队下乡的山村招工到西双版纳,在地质队当电工。艰苦的环境,清贫的生活,更加激发了郝跃对未来的憧憬和渴望。幸运的是,1977年恢复高考,他成为百里挑一的佼佼者。四十多年后,郝跃还清楚地记得:“当时我们地质系统有100多人考大学,考上的只有两个,我是其中之一”。按他的成绩,完全可以上清华。也许是那个时代的教育使然,“陕西延安是革命圣地,而西安离延安不远,当时西电又是一所军校,专业还是我喜爱的无线电”。于是,怀揣着一腔红色信仰的郝跃踏入了向往已久的西电校园。
  
  西安电子科技大学是国内最早建立信息论、信息系统工程、雷达、微波天线、电子机械、电子对抗等专业的高校之一,开辟了我国IT学科的先河,具有鲜明的电子与信息学科特色与优势。1982年,郝跃大学毕业后留校任教。一边追踪着前沿科技从事研究,一边兢兢业业教书育人。紧接着,又相继取得西电的硕士、西安交大的博士学位。谈到77级学生朴素的理想,郝跃的语气极其坚定:“我们这一代人经历的太多太多,非常珍惜学习的机会。那时西电经常停电,一停电,大家就不约而同点起蜡烛挑灯夜战。远远望去,西电老大楼、西大楼、东大楼里烛火通明,汇聚成一道道追梦的‘星河’。毕业后,只要能发挥专业特长,哪里需要就扎根在哪里,立志做一颗永不生锈的‘螺丝钉’。爱国奉献的情怀,早就灌注在了我们这代人的灵魂里!”上世纪90年代,作为信息时代技术基础的集成电路——微电子技术成为大热门。然而,在这一领域崭露头角的郝跃却敏锐地感觉到,传统的微电子技术研究已经遇到了问题:以硅为半导体材料的集成电路技术基础研究即将成为人们关注的核心。一方面,随着集成电路的集成度每18个月翻一番,使半导体器件和材料基础研究高度依赖于工艺条件,高校的优势慢慢丧失;另一方面,随着相关技术产业化和行业市场的迅猛发展,集成电路技术的开发应用已迅速成为企业的天下,高校乃至研究院所都很难成为主导力量。
  
  睿智的郝跃把目光转向了化合物半导体,并以超前的研判最终聚焦到国际上刚刚起步的宽禁带半导体材料——氮化镓、碳化硅。他看到,宽禁带半导体材料研究可以把电子学与光学紧密结合,必然具备单纯的电子学或光学不具备的优势,同时也有很高的学术和应用价值。
  
  2000年前后,郝跃到美国进行学术交流,他留心考察了美国相关研究的最新动态,发现他们的氮化物宽禁带半导体材料研究也还处于起步阶段,更加坚定了他的决心。回国后,他毅然决定,全面转向新的研究方向,全力以赴搞宽禁带半导体材料与器件。在当时,这无异于一颗重磅炸弹,既引起了不小的震动,也让很多人费解。因为宽禁带半导体是个新鲜事物,没有人能预料它的发展前景。一没有研究基础,二没有经费支持,前程未卜,充满风险。
  
  郝跃力排众议,坚定前行。让他有底气的基础是,西电曾作为军队学校,重教学,强实践;作风顽强,有使命感。“西电人有部队的奉献精神传统,做事不讲条件,踏踏实实,认认真真,要做就必须做到最好!”他的眼光已经看到了更高更远的前景:随着信息科技的发展,以集成电路芯片为核心的微电子技术,不仅与我们的生活息息相关,更是国家核心竞争力的体现,是国家综合国力的标志。氮化物半导体器件在通信、照明、生物、医疗、电力系统,以及军事领域具有十分广泛的应用前景。“微电子不微,”微电子中有大学问,有大市场,有大潜力。
  
  郝跃的主要研究方向是宽禁带和超宽禁带半导体材料与器件、微纳半导体新器件及其可靠性、以及SoC设计与设计方法学。刚开始关于宽禁带半导体材料氮化镓的研究,摆在他面前最大的问题是没有材料生长设备。如果引进,当时需要七八百万。由于没有研究基础,不能申请国家的经费支持。怎么办?郝跃从手中的项目经费中挤,自己掏腰包垫,东拼西凑地筹,用宝贵的200万元开始了自主研发并搭建创新平台的艰苦历程。他“带着学生从焊板子开始”,就像当年的工农红军,虽然武器是土枪土炮,但战略思想和必胜信念却比对手强大了几万倍,“只要有了人,什么人间奇迹都可以创造出来!”他鼓励大家说,最痛苦的时候,也是最有希望的时候,等日子好过了,我们就要有危机感了。正是这套“作坊”式的设备,满足了材料生长、表征、测试等最基本的研究需要,很快就生长出了具有国际先进水平的氮化镓基外延材料,团队成功迈出了具有关键意义的第一步。
  
  作为学术带头人,郝跃运筹帷幄,科学部署。先是适度超前,迈出半步试深浅。不错,距离可以跨越,摸着石头磕磕绊绊彳亍前行。再增大步幅,漂亮!水深处迂回探索,一个个障碍被悄然排除。快加速前进,糟了,“四面楚歌”遭遇“埋伏”。那就派出“偏师”“围城打援”;或者集中“精锐”,剑走偏锋。再后来,索性“顺手牵羊”“调虎离山”;或者“声东击西”“金蝉脱壳”……在那段时间里,郝跃和他的团队焚膏继晷,日夜兼程。实验室外的树木绿了有黄,黄了又绿。实验室里的灯光度过春夏,又历秋冬。郝跃和他的团队相继提出一系列创新的高质量材料生成方法、新型半导体材料与器件结构的设想,将波功率器件的效率提高到了当前国际最高纪录的73%,这几乎达到了半导体波功率器件电能转换的极限。从暗夜出发辛勤跋涉,迎接黎明的必然是万道霞光!只有短短几年的时间,郝跃发现他们已经爬上了一座很高的“山头”。举目四望,气象万千。刚刚耕耘过的处女地,生机盎然。氮化镓、碳化硅化合物半导体材料,也就是宽禁带半导体材料,很快被定义为“第三代”半导体电子材料,世界微电子学科和微电子产业全新的一页由此翻开。郝跃主持的研究成果在氮化物半导体材料和核心设备、先进的氮化物微波米波高功率和高效率电子器件,以及紫外和深紫外氮化镓光电器件(LED)领域,先后获得国家技术发明奖二等奖1项和国家科技进步奖二等奖2项,成果得到了广泛的推广和应用。
  
  负重前行,自主创新搭平台
  
  2002年,在郝跃的领导和指导下,第一代有机化合物化学气相淀积设备研制成功。与此同时,全世界范围内,宽禁带半导体的时代很快到来了。学术界与产业界逐渐认识到,氮化镓电子器件是制造高功率微波毫米波器件的理想材料,在新一代无线通信、雷达与导航测控等航天、航空平台设备中,具有重大应用前景。只是氮化镓材料缺陷密度相对较高,这是长期制约氮化镓电子器件发展的瓶颈。
  
  在这最关键的时刻,优良的传统——西电崇尚理论联系实践的学风起到了关键作用。西电的本科生,学习专业都要在实验室进行相应的实践,实验室的仪器同西门子公司等世界大公司的仪器都是同步发展水平,同步使用;毕业生被用人单位招聘后,就能立即上手操作。而研究生基本从事省部级以上的科研项目进行毕业项目设计;横向课题则大部分来自企业项目,一般都是生产中急需解决的难题,市场性更强,实用性也更强。优良的传统成就了优秀的团队,优秀的团队干出了优异的业绩。在他的带领下,团队以基础理论和机理研究为基础,瞄准新材料,以新材料推动器件发展,以器件发展推动应用,最终应用于国民经济和国防建设。2004年,宽禁带半导体材料与器件教育部重点实验室挂牌,这个专门的机构为更深入地进行科学研究提供了有力支撑;2005年前后,国内宽禁带半导体产业开始发展时,郝跃团队的宽禁带半导体研究已经有了深厚的积累,出版了国内最早探讨宽禁带半导体的专著《碳化硅宽带隙半导体技术》。在此期间,郝跃组织精兵强将系统研究并揭示了氮化镓电子材料生长中缺陷形成的物理机理,独创性地提出了脉冲式分时输运方法、三维岛状生长与二维平面生长交替的冠状生长方法,显著抑制了缺陷产生。正是基于这种创新生长方法的固化集成,团队成功建立第一代自主国产化的金属有机化合物化学气相沉淀系统和低缺陷材料生长工艺,并于2005年和2007年迅速更新为第二代和第三代,解决了高性能氮化镓电子材料生长的国际难题,推动了氮化镓材料生长技术与核心设备的应用。2007年,宽带隙半导体技术国家重点学科实验室获批,对郝跃团队来说,真是如虎添翼;2019年,国家工程研究中心建设获批,更加巩固了这一领域在全国的领先地位。团队自主研发的金属有机化合物化学气相沉淀系统及关键技术已成功产业化,应用于氮化镓半导体微波器件和光电器件制造企业,产生了巨大的社会效益和经济效益。他们自主制备的高性能氮化镓电子材料自2003年起批量应用于国内多家研究所与大学,以及日本、新加坡等国家的一些科研机构,被国际用户评价为“特性达到了国际前沿水平”。似乎就在朝夕之间,郝跃教授与他的团队一下拿出一批有显示度的成果,震动了整个微电子领域。
  
  成果转化,国家需求为使命
  
  多年以来,西电一直大力倡导“崇尚学术、回归工程”,以通识拓广度,以广度蕴深度。强调无论是人才培养还是科学研究,都要密切关注国家、行业、区域经济社会发展中的关键问题,善于从这些关键问题中提炼出重要科学问题,并在解决问题的过程中,推动科技进步,服务国家需求。
  
  2002年,氮化镓高亮度蓝光LED器件在郝跃的实验室成功问世。这种新工艺具备传统发光器件不可比拟的节能等优越性。郝跃预测到该项成果巨大的市场潜力,着力推动技术转让与成果转化。团队以少额技术股份转让该项成果,以实验室为技术依托,成立西安中为光电科技有限公司,成功实现了蓝绿、紫外LED的产业化。此外,他们自主建立的国产化氮化镓微波毫米波功率器件填补了国内空白,打破了发达国家的技术封锁与禁运,已开始试用于多项雷达和测控国家重点工程,推动了我国宽禁带半导体电子器件的跨越发展和应用。高质量的氮化镓和碳化硅材料外延片批量提供企业和研究所使用;微波功率器件已经开始用于国家重点工程;氮化镓的LED成果已经成为陕西省半导体照明的核心技术;微纳米器件可靠性技术对推动我国高可靠集成电路发展发挥了重要作用……随着多项成果应用于国家和国防重点工程,郝跃带领团队的研究工作得到了国内外的广泛关注,科研水平和学术地位不断提升。在解决国家重大战略需求方面,郝跃团队注意到半导体器件可靠性一直是航天、航空等系统中突出的薄弱环节。郝跃多年来一直关注着这个技术难题。从上世纪末开始,团队在他的领导下系统研究了多种半导体器件的退化与失效机理,提出并建立了相应的模型,系统揭示了半导体器件退化与失效的物理本质。该项成果获得了国家科技进步奖三等奖。他们发明的槽栅器件被认为“是一个很有前途的结构,可改善热载流子效应,从而提高器件可靠性”,这项成果成功获得了国家科技进步奖二等奖。2013年,郝跃当选中国科学院院士。近年来,郝跃先后荣获“何梁何利”科学技术奖、国家级教学成果一、二等奖,获得国家发明专利授权近百项。2019年,他的团队获得了国家科技进步奖一等奖。最让郝跃自豪的是,在这片他奉献了赤诚和智慧的热土上,他荣获了2019年度陕西省最高科学技术奖。
  
  “器大者声必闳,志高者意必远”。近年来,郝跃一直关注电子信息领域紧缺人才的培养,建议国家相关部门共同搭建一个电子信息专业,尤其是微电子专业的学生实践平台。结合“中兴事件”的警示,必须高度重视“从0到1”的原始创新,通过强化创新驱动,解决我国高端通用芯片受制于人、在关乎国防安全和国民经济的关键技术领域创新能力不足的问题。“既然选择了做科研,就要瞄准国家重大需求,脚踏实地,择善而固执”。这是郝跃的心声,也是他矢志不渝的追求。
  
  郝跃,1958年3月生于重庆市,微电子学家,2013年当选中国科学院院士。现为九三学社陕西省委主委,西安电子科技大学教授、博士生导师,国际IEEE学会高级会员,中国电子学会常务理事。担任国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020年)“核心电子器件、高端通用芯片和基础软件产品”科技重大专项实施专家组组长,总装备部微电子技术专家组组长,国务院第七届学科评议组(电子科学与技术一级学科)召集人,国家电子信息科学与工程专业指导委员会副主任委员。国家重大基础研究计划(973计划)项目首席科学家、国家有突出贡献的中青年专家和微电子技术领域的著名专家。第九、第十届全国政协委员和第十一届全国人大代表。
  
  1998年获国家科技进步奖三等奖,2008年和2009年分获国家科技进步奖二等奖和国家技术发明奖二等奖,2010年获“何梁何利”科学与技术进步奖, 2015年再获国家科技进步奖二等奖,2019年他的团队获得了国家科技进步奖一等奖。(文/王遂社 黄 明 周亚龙)
责任编辑:刘玉

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