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中国科学报|赵德刚： 只做国家有需要的研究｜弘扬新时代科学家精神

作者 | 卜叶
“赵德刚在哪儿？”“不在实验室 ， 就在去实验室的路上 。 ”这是课题组成员对赵德刚的印象 。 20余年来 ， 中国科学院半导体研究所（以下简称半导体所）研究员赵德刚几乎每天泡在实验室里 ， 周围同事同学对他的行踪了如指掌 。 赵德刚所从事的半导体光电子材料与器件事业是信息时代的基石 。 在这个朝阳产业里 ， 他没有向着“高产”的新型材料奔去 ， 而是选择坚守展现出应用价值但研究步入深水区的传统材料——氮化镓 ， 并钻坚研微 ， 克服种种困难 ， 带领团队研制出国内第一支氮化镓基紫外激光器、大功率蓝光激光器 。 “我是国家培养出来的‘土著科研人’ ， 用实际行动回报祖国是我的夙愿 。 作为一名科研人 ， 国家的需要在哪里 ， 我的研究方向就在哪里 。 ”赵德刚说 。
中国科学报|赵德刚： 只做国家有需要的研究｜弘扬新时代科学家精神
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赵德刚 中科院半导体所供图艰难的领域 巨大的难题
简单来说 ， 半导体研究有两大类 ， 微电子和光电子 。 集成电路、晶体管在微电子研究的范畴内 ， 而光电子研究多指激光及相关产品 。 上世纪90年代 ， 中国的微电子行业相对落后 ， 在电子科技大学学习了7年的赵德刚深深为这个专业着迷 。 在这期间 ， 他申请加入了中国共产党 。 1997年 ， 进入半导体所进一步学习之后 ， 赵德刚发现我国对半导体器件需求巨大 ， 但世界上生产该类器件的原材料却尚未成熟 。 “这也是我选择氮化镓光电子材料与器件研究的原因 。 ”赵德刚说 。 氮化镓是继硅、砷化镓之后的第三代半导体 ， 其光谱覆盖了近红外到深紫外全波段 ， 且热稳定性好、抗击穿、耐腐蚀 ， 在光电子学和微电子学领域具有巨大应用潜力 。 目前 ， 基于氮化镓材料的蓝光发光二极管已经走进了千家万户 ， 引发了照明产业的革命 。 日本学者赤崎勇、天野浩和中村修二也因发明“高效蓝色发光二极管”获得2014年诺贝尔物理学奖 。 作为另外一种高端光电子器件 ， 氮化镓激光器在激光显示、激光加工、激光医疗等领域有重要应用 。 但激光器技术难度大 ， 是国际化合物半导体研究的热点和制高点 。 “要做出蓝光激光器 ， 必须生长出高质量的氮化镓材料 。 ” 赵德刚介绍 ， 由于缺乏匹配的衬底 ， 氮化镓外延材料质量长期困扰着世界各国学者 。 电子迁移率高低是材料性能的综合反映 。 一般来说 ， 电子迁移率越高 ， 材料性能越好 。 当时 ， 国际领域诺贝尔奖获得者中村修二做出来在室温下900平方厘米/伏特·秒电子迁移率的氮化镓材料 ， 远远超过了平均水平 。 “900这一数字在当时被认为是不可超越的 。 ” 半导体所助理研究员梁锋说 。 当时 ， 课题组面临的最大问题是氮化镓材料能发光但无法激射 ， 一向开朗乐观的赵德刚也发愁了 ， 饭都吃不下去 。 阅读文献后 ， 赵德刚发现做出高质量的氮化镓材料并没有绝招 ， 关键是要找到影响电子迁移率的散射机制 ， 并掌握减少散射中心数量的方法 。 因此 ， 赵德刚深入研究了缓冲层原理 ， 同时结合材料光学、电学、结构性质的分析 ， 发现了缺陷产生和湮灭的物理过程 ， 提出了独特的MOCVD外延技术 。 2004年 ， 他们终于实验生长出高质量的氮化镓材料 ， 在室温下其电子迁移率超过1000平方厘米/伏特·秒 ， 这也是国际上MOCVD外延氮化镓材料的最好结果 ， 得到了国内外广泛认可 。 “这只是局部超越 ， 整体上我国与日本这样的技术先进的国家还有差距 。 ”赵德刚说 。 独到的眼光 独特的思路
研究出世界顶级的高质量氮化镓材料并不意味着激光器的研制成功 。 刚过而立之年的赵德刚毫不迟疑地投入到另一个难题——氮化镓的p型掺杂的研究中 。 “碳杂质的作用可能不简单 ， 碳杂质的研究不能停止 。 ”这个声音萦绕在赵德刚心中 。 进一步研究发现 ， 碳杂质在p型氮化镓中扮演着“破坏者”的角色 。 通过结合生长机理的研究 ， 课题组掌握了抑制碳杂质的方法 ， 制备出高质量的低温p型材料 。 “碳杂质在其他材料中有没有这种现象？”课题组顺藤摸瓜 ， 发现碳杂质在量子阱中的作用也是破坏性的 。 “碳杂质难道没有优点？”赵德刚带领课题组发现 ， 欧姆接触中 ， 适当引入碳杂质有助于电流的输入和输出 。 三连问逐渐形成了对碳杂质的系统性研究 。 “我总是从当前的课题中发现下一个课题 ， 很少是从热点、报告、文献中获得课题 。 ”赵德刚说 ， “半导体研究应该立足国家需要 ， 被国外牵着鼻子走不太容易形成自身的研究特色、产生国内需要的研究成果 。 ”解决问题的能力源于实践


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