【2022年度“科普中国青年之星创作大赛”】陈志忠：半生相伴半导体，一心一意为强国

2019年1月8日上午，中共中央、国务院在人民大会堂隆重举行国家科学技术奖励大会。习近平、李克强、王沪宁、韩正等党和国家领导人出席会议。习近平等为获奖代表颁奖。其中九三学社共有41名社员获得表彰奖励，今天给大家带来的是其中一位荣获国家技术发明二等奖的北京社员陈志忠的故事。

氮化物半导体大失配异质外延技术是什么

在北京入冬以后最温暖的一天里，我在北大物理学院陈志忠的办公室里见到了他本人。让陈志忠走上国家级科技奖励舞台的这个项目，名叫氮化物半导体大失配异质外延技术。第一次看到这个项目名称，相信大多数读者跟我的感觉一样：每个字我都认识，连起来就看不懂了。所以我见到陈志忠的第一件事，就是要搞明白这到底是怎么个技术。

先说前半段：氮化物半导体。这部分百度就够用了。

半导体是指一种导电性可受控制，范围可从绝缘体至导体之间的材料。无论从科技或是经济发展的角度来看，半导体的重要性都是非常巨大的。今日大部分的电子产品，如计算机、移动电话或是数码相机当中的核心单元都和半导体有着极为密切的关联。以氮化镓（GaN）为代表的第三代半导体材料及器件的开发是新兴半导体产业的核心和基础，其研究开发呈现出日新月异的发展势态。GaN基光电器件中，蓝色发光二极管（LED）率先实现商品化生产。 继成功开发蓝光LED和激光器（LD）之后， GaN紫外光探测器、GaN电力电子器件和微波功率方面也崭露头角，显示出广阔的市场前景。氮化镓半导体电力开关器件被誉为半导体芯片设计上一个新的里程碑。

再说后半段，大适配异质外延，这部分还得听陈老师给我上课。

氮化镓半导体虽好，可是太贵啊，因为它的生长（外延）模板，也就衬底部分如果用氮化镓，也就是同质材料，性能确实很好，可是这东西一片就2万*，那谁用得起啊，市场太小了。后来呢，美国人先尝试了用蓝宝石做图形衬底（PSS），也就是异质材料，这成本可就低多了，这么大一片，才100多！*

对，这么大的蓝宝石100多，而且主要还是研磨和切片的成本。

但是他们当时做的比较粗糙，不能商业化，可是我认为如果采用合适的工艺和刻蚀方法预加工蓝宝石衬底，做出来的性能也不会比同质衬底性能下降太多，就坚持搞了这么些年，现在很幸运的出了一点点成果。

整个访谈过程中，陈志忠的脸上始终挂着谦逊的笑容。

目前的商业半导体市场上，硅基半导体还是占据绝对份额的，因为技术成熟，稳定性和良品率也高。但是尺有所长寸有所短，在照明领域（LED照明，汽车激光大灯）和超高频信号领域（5G芯片，手机信号基站，雷达）和大电流传输领域（飞机、动车、新能源车上的电力传输元件），氮化物半导体目前已经具备了无可替代的优势，而陈志忠就是一位把大半生都交给氮化物半导体的专家。

和氮化镓的半生缘：PSS从实验室概念到工厂的生产线

陈志忠搞半导体可不是偶然，在高中毕业准备报志愿的时候，正好赶上苏联解体。目睹了一个曾经无比强大的国家备受欺凌的样子，他暗暗下了决心：决不让自己的祖国也遭受这样的苦难。

在年轻的陈志忠脑海里，让祖国强大最简单的办法有两种：最先进的武器，或者最高级的计算机。所以他填报了两个志愿，一个是核物理，一个是半导体。最终他以优异的成绩被南京大学录取，专业就是半导体。

身处半导体专业，陈志忠始终关注着国际上相关的科研成果，早在90年代初，氮化物半导体加工工艺中的选区外延技术就已经产生了，这一技术吸引了陈志忠的注意力。到了本科毕业论文时期，陈志忠进实验室就开始接触氮化镓，恰好能有机会上手操作。97年，国内第一个LED（以氮化物半导体为基础）在北大实验室里发出了光，正好陈志忠硕士毕业，于是他博士毕业后毫不犹豫的选择了当时国内氮化物半导体研究最领先的北大做博士后，博士后出站留校至今。

这是传统PSS工艺中的两个主要痛点

2000年，基于选区外延技术之上，美国率先开始尝试用图形化蓝宝石作为衬底（PSS）生长氮化物半导体，但是效果还不是很理想。到了04-06年，北大开始与中科院半导体所合作，也开始尝试PSS技术的应用研究，当时的PSS模板是从韩国一个厂家买来的，但他们的PSS性能还没有不经任何加工的光板蓝宝石性能好。

这就是陈志忠在此次获奖项目中的主要贡献，一次性解决了两个痛点：陈志忠的发明让PSS的图形缺陷密度足足降低了100倍！

09年，陈志忠到了东莞的中镓公司，次年就赶上了韩国那家生产PSS的厂子经营困难甩卖设备，于是这套设备就到了陈志忠团队的手里。如获至宝的陈志忠和同事们结合科研摸索了几年，终于在2012年把PSS制备技术搞透了，不但填补了我国该领域一项重大的科技空白，完全摆脱了之前对国外的依赖。

一开始高质量的PSS全靠进口，国内能生产的很少，高档芯片都在外面，但是现在我们自己能做了，老外的东西一下子就卖不动了，很多厂子都破产了！我们心里其实也觉得出了一口气。

这项技术开始使用以后，公司每年的产值一下子就从每年千万级变成了现在的亿级，而这项技术也是目前在国际上是使用规模最大的技术。PSS目前在主流的LED厂商中已经开始广泛使用，而LED产业全球总产值产值即将突破一万亿，中国的产能接近全球的一半。

陈志忠在国际半导体照明论坛上的演讲

张艺谋和LED的故事

谈到目前PSS的最主要用途：LED照明，陈志忠有很多故事。

奥运的时候，开幕式里面的LED显示屏都是当时国内企业做的，2008年的时候故障率很高啊，每次彩排，总是有坏的，那个屏幕单元动不动就变成了常亮状态了，组委会的人天天来库里面换板子，开幕式总导演张艺谋都慌了：我的一世英名要毁在你们LED手上了！后来表演的效果还挺好，因为大家都在拍照，一直闪光，没人注意到个别故障的板子了……那时候是08年，不要说我们了，全世界的LED**良品率都不高。

09年的时候，广东省喜欢体验高科技，广深高速上已经开始用LED灯了，当时我因为工作的关系，总是走那个高速，结果就发现没用多长时间，很多灯就不亮了。但是现在呢，故障率非常低了，这不能说是我的贡献，这是整个行业的努力。我只是改进了PSS**这项外延工艺，保证了材料部分的质量，但是最后这个产品是一个系统，影响的因素很多。不过可靠性方面，我们的技术确实对厂家帮助很大，因为整个质量体系中，影响最大的还是材料质量。

实验室中的陈志忠

科研，我们应该玩自己的

谈到产业现状和未来，陈志忠也有一套自己的看法。

国家对LED一直是扶持的，要不然我们日子难过啊，很多LED厂家说我们的利润还不如做铝合金门窗的。氮化镓这个产业还有很大发展空间，比如农业，医疗中的可变光谱照明：非视觉照明，用紫外线治疗黄疸，抑郁症，可以开发的场景太多了。

谈到了远大未来，陈志忠的眼里出现了一丝动人的神采，我刚好一抬头，却看见了他办公室还用着传统的荧光灯照明。大概是觉察我的视线，搞了大半辈子LED的陈志忠有些尴尬：

我们这个教学楼太老*……一步一步来嘛，用LED**攻占博雅塔*（注：和未名湖齐名的北大校内地标）是我们的梦想，因为现在塔上照明还用旧灯泡呢！。

新技术的换代是要看资本和市场的，不能一朝一夕完成的。

西方在科研体系上长期的积累和投入我们现在追赶还是很费劲的，但是我们可以玩我们自己的，搞差异化，我们不应该在什么领域都盲目的追随他们。