院士说丨郝跃院士: “芯”系国家科技强“芯”

  手机、电脑、家用电器……这些与生活紧密关联的电子科技类产品不能离开微电子技术的发展和应用。

  卫星、导弹、雷达、通信、电子对抗……这些现代国防依靠的高端电子装备同样离不开微电子技术的进步。

  微电子技术是以半导体为材料、以微细加工为主要手段,实现电子系统小型化和微型化的技术,主要体现为半导体器件和集成电路芯片。

  正是这一技术的快速地发展和推动,通讯、网络、计算机等技术才得到快速地发展,大数据、物联网、人工智能、智慧城市等才成为现实,纳米科技、量子科技等前沿科技才得以快速推动。

  “微电子技术已改变并将继续深刻改变我们的世界。微电子技术的发展水平和产业规模,已成为衡量一个国家经济实力和科学技术实力的重要标志。”郝跃说。

  他开拓、引领了我国第三代半导体电子器件与材料的发展,创建了我国第三代半导体氮化镓外延生长、器件结构和制造工艺的理论与技术体系,实现了我国氮化物半导体从核心设备、材料到器件的重大创新,为我国在氮化物第三代半导体电子器件步入国际领先行列作出重要贡献。

  微电子技术的发展能使集成电路芯片具有高速度、高密度、高可靠、低功耗、低成本等特点。

  其中,芯片的低功耗特别的重要,这不仅是节省能源,还意味着极大改善电子科技类产品应用的便捷性,提高电子科技类产品的可靠性。

  未来几十年内,微电子技术将不断引领高新技术发展,不断改变人类生存和生活环境,不断促进人类发展进步。

  半导体材料是一类导电性能介于导体和绝缘体之间的固体材料,最重要的包含被称为第一代半导体的硅、锗,被称为第二代半导体的砷化镓、磷化铟,以及被称为第三代半导体的宽禁带材料。

  禁带是固体物理学的一个基本概念,其宽度决定了半导体的导电性能是偏向导体还是绝缘体。通常来说,禁带宽度越宽,半导体的导电性能越偏向绝缘体。反之则偏向导体。

  从20世纪90年代中后期开始,我和团队就坚持研究宽禁带半导体,经过20多年艰辛探索,团队瞄准国际前沿,主攻氮化镓、碳化硅,以及氧化镓和金刚石半导体器件与材料研究方向,已实现半导体从核心设备、材料到器件的创新,并使我国在这一领域步入国际领先行列。

  例如,我们研发的氮化物半导体材料和核心设备、先进的氮化镓微波和毫米波高功率、高效率电子器件和紫外光电器件,将氮化镓微波功率器件的效率提升到国际最高纪录的85%,实验结果几乎达到半导体微波功率器件电能转换的极限,实现了我国在该领域的重大突破。

  现在,氮化镓核心技术和产品已在我国4G和5G通信基站、先进雷达系统、电力电子系统、紫外LED等领域得到普遍应用。

  如今,我们的宽禁带半导体国家工程研究中心和宽带隙半导体技术国家重点实验室,已成为国内外宽禁带半导体材料和器件科学研究、人才教育培训、学术交流、成果转化的重要基地,引领宽禁带半导体研究自主发展,服务产业工程应用。

  经过多年发展,我国半导体芯片与集成电路产业已取得长足进步,一跃变成全球最大的集成电路消费市场,个别技术领域甚至具备了与国际同行并行的趋势。

  但总体而言,我国半导体与集成电路产业大而不强,与美国、日本和欧洲一些国家相比仍有较大差距。

  首先要产学研紧密结合,加大关键核心技术的攻关和产业化,建立集成电路自身发展和持续创新的能力。

  总体而言,我们现在对产品、技术强调多,对能力强调少。未来要让集成电路产业取得持续、整体发展,还得在能力上下功夫,在产学研紧密结合上下功夫。

  其次要提升产业和企业的核心竞争能力,加速关键产品突围,推动产品从可用走向能用、好用、耐用、实用,同时推动产品落实到能力上,促进集成电路产业真正“长大”。

  最后要继续落实扩大内需政策,对微电子行业加大政策扶持,进一步加大投入,优化投融资环境,支持优势企业并购重组,避免低水平竞争、恶性竞争和无序竞争。

  半导体芯片需要长期不停地改进革新和发展,若企业没有利润很难支撑创新,因此,保证企业有序、健康发展是保证集成电路产业可持续发展的关键。

  其中,国家需求是第一原则。我们的科研工作要在国家需要前提下,确定主攻方向,定好方向后,瞄准国际前沿去奋斗、去努力。

  芯片是信息社会的粮食,没有芯片就不可能有信息社会的各种产品。中国是全球最大的芯片消费市场,而中国芯片在世界市场中仅占20%左右,发展芯片产业的重要性和紧迫性不言而喻,自主研发的道路漫长而艰巨。

  我们主导成立的陕西半导体先导技术中心,致力于半导体前沿关键研发技术创新,已成为陕西省半导体产业人才培养重要基地和技术创新的重要策源地。

  以团队成员为主导,以宽禁带半导体国家工程研究中心为基础,我们还创建了西安电子科技大学广州第三代半导体创新中心、西安电子科技大学芜湖研究院等实体,主动服务国家粤港澳大湾区建设、长三角一体化发展的策略,为国家集成电路人才培养添油助力,为实现产业升级换代奠定坚实基础。

  解决我国芯片集成电路核心技术问题,推动电子信息产业做大做强需要各类创新土壤和文化氛围。

  我从点滴做起,把2019年荣获陕西省最高科技奖的200万元奖金全部捐给学校设立芯缘科创基金,希望带动学校形成“从0到1”的创新文化和氛围,鼓励我们的教师和学生,逐步形成创新人才与创新成果产出的土壤。

  2020年底,我们团队实现了40余项专利3000万元的高价值转化。根据学校科技成果转化管理办法规定,这笔经费的80%可用于完成人的现金奖励,考虑到宽禁带半导体国家工程研究中心建设自筹经费尚有缺口,大家全部放弃现金奖励,都同意将奖金投入宽禁带半导体国家工程研究中心建设中,为国家科研育人平台出一份力,添一把柴。

  就需要持续拓展和扩大集成电路人才教育培训版图,提升集成电路人才教育培训质量,以缓解“缺芯少魂”。

  一是基础性课程教学体系建设,尤其要保证物理、数学等基础性、主干性课程学时充足、内容合理,系统化向学生讲授;二是实践性课程,应动员政府、学校、企业等各方力量,大力建设集成电路育人平台。

  目前正在实施建设的国家集成电路产教融合创新平台项目,就是这方面利好消息,相信未来会对集成电路创新型和应用型人才培养起重要作用。

  面对我国“十四五”时期及更长时期发展的迫切要求,科技工作人员要更看重自主创新,实现更多“从0到1”的突破。

  在科学上,“0”并不表示什么都没有,而是还未曾发现、发明和创造出来。如何从浩如烟海的基础研究中提炼出关键科学问题,是线”突破的关键。

  “从0到1”不仅要有长期厚重的知识积累,还要有瞬间的灵感;既需要长期稳定坚持做基础研究,久久为功,又需要聚焦比较优势领域,突出重点;既需要自由探索,也需要从源头或底层为长远战略目标提供支撑。

  发挥新型制优势,整合优势资源,通过国家实验室等重大科学平台,有力有序推进创新攻关的揭榜挂帅体制机制,集中力量实现从“从0到1”的突破,着力打好关键核心技术攻坚战。

  不拒众流,方为江海。健康的国际合作模式,应以可控开源的方式充分的利用国际智力资源。

  所谓可控,就是在若干领域打造非对称优势的长板,打造我国参与国际合作和竞争的新优势;所谓开源,就是在此基础上互通有无、博采众长,实施更加积极开放的人才政策,热情参加组织国家重大科学研究计划、国际大科学计划和大科学工程,统筹推进知识产权、国际合作和竞争,为技术要素跨境自由流动创造良好环境,推动我们不断取得世界首创成果。

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