王科 | 突破光与电的冒险之旅

来源：互联网 2024-11-12 00:19:16 版权归原作者所有，如有侵权，请联系我们

在半导体光电器件这个大家族中，有许多的成员，它们有的能把电变成光，有的能把光变成电，还有的能对光和电的信号进行各种处理和放大。半导体光电器件神奇的功能吸引着南京大学电子科学与工程学院的博士生导师王科，他多年来一直致力于从事半导体光电材料与器件的前沿研究，在宽禁带氮化物半导体的材料外延生长、物性分析、新型光电器件，尤其是氮化物外延生长技术与应用方面做了系列研究工作，取得了不错的成果。

▲王科

发光二极管与半导体照明革命

世纪之交，恰逢氮化镓蓝光二极管有了重大突破，半导体照明革命恰逢其时，南京大学是国内最早进入相关领域的单位之一。在张荣教授讲述的半导体物理课堂上，王科对氮化物半导体产生了浓厚兴趣。2000年从南京大学本科毕业后，他进入香港大学攻读半导体物理学硕士学位，他的导师冯汉源是英国牛津大学有史以来第一位失明的物理学博士，他风度儒雅、谈吐大方，给王科留下了深刻的印象。冯教授的理论功底很强，还能在黑板上板书上课，有这样让人敬佩的老师，王科对研究更是不敢怠慢，为他日后的研究打下了扎实的基础。

彼时虽然氮化镓蓝光二极管发展很快，但是更长波长的绿光-黄光-红光二极管颇为滞后。冯教授介绍了另一种获得三原色发光器件的思路：把稀土元素加入氮化镓中就可以获得各种颜色的发光。当时，欧盟刚刚设立一个大型项目支持该项研究，于是王科决定前往牵头该项目的英国斯特斯克莱德大学深造。“当时的想法其实很简单，就是觉得这项研究非常有趣，同时也能看看外面的世界。”博士期间，王科跟随导师凯尔文·奥唐奈（Kelvin O’Donnell）和罗伯特·马丁（Robert Martin）教授进行了关于稀土元素掺杂氮化镓的研究。“稀土元素有发红光的、绿光的、蓝光的，但是组合起来就变成了白光。我觉得这非常有意思。”王科发现稀土元素掺杂的半导体具有优异的光学特性，在LED显示、上转换、下转换等领域有很好的应用价值。

博士毕业时，导师罗伯特·马丁建议王科如果想在这个领域有更深的发展，日本是一个很好的选择。“他跟我说，以氮化镓、碳化硅为代表的第三代半导体，基本上都是日本团队率先取得突破性进展。的确，日本是最近十多年半导体照明革命的发源地，其影响已经渗入到人们的日常生活中。”刚好当时课题组与日本立命馆大学名西憓之教授有合作，做的是氮化物分子束外延生长技术，这是非常前沿的半导体材料和精细结构制备技术，王科觉得这是一个不错的机会。2008年的春天，他阔别待了4年之久的格拉斯哥，来到了日本立命馆大学，开启新的研究之路。

钻研新技术

分子束外延技术（Molecular Beam Epitaxy，MBE）是一种在晶体基片上生长高质量的晶体薄膜的前沿技术，在半导体制造、光电子等方面得到了广泛的应用。“我们现在说‘卡脖子’技术，分子束外延技术正是一个环节，也是对我们领域来说很关键、很重要的一个环节，所以一开始我就想认认真真把分子束外延技术学扎实。”研究分子束外延技术不是一个简单的过程，它需要时间的积累，王科在立命馆大学一待就是5年。

5年间，王科充分掌握了MBE的相关理论，积累了不少成果。2013年的秋天，王科前往千叶大学任职副教授。在千叶大学工作期间，王科印象最深的是吉川明彦老师的认真与严谨。“吉川老师要求很严，只要定了计划，一定要按计划来推进，想尽各种各样的办法，克服各种各样的困难，一步一步推进。”王科说从吉川老师身上感受到了日本人的工匠精神，科研工作中每一步的落实都极为重要，每一处细节都需要完善，才能有一个好的结果。“最重要的是，吉川教授的方向是和我契合的，研究是连贯的，一直聚焦氮化物外延技术。”他说。

2016年，王科来到日本理化学研究所（RIKEN）任职。这是日本唯一的综合性自然科学研究所，在物理学、工程学、化学、计算科学等领域开展了广泛的研究。在RIKEN量子光器件研究室，王科负责氮化物分子束外延平台，同时主持日本学术振兴会（JSPS）基金项目“基于氮化镓（GaN）超晶格的太赫兹量子级联激光器（THz-QCL）”，并作为骨干参与了JSPS大型项目“基于氮化物半导体的未开发波长太赫兹量子级联激光器研究”，负责该项目理论设计和实验的具体实施。很快，王科和团队就制备出输出功率超过1瓦的太赫兹量子级联激光器，其功率密度可与世界纪录相比拟。

在日本国立理化学研究所近3年时间里，王科收获满满，但他也时刻关注着国内半导体领域的发展。“最近这十多年国家发展很快，国内科研环境大大提升，国家对第三代半导体支持力度很大，我觉得我应该回去。”

冒险之旅，创造新的第一

2019年王科回到了阔别已久的母校——南京大学，担任电子科学与工程学院教授和博士生导师，为我国第三代半导体事业的发展贡献一份力量。

▲王科（右一）参加在冲绳举行的APWS国际学术会议，与诺贝尔奖获得者天野浩（右二）等合影

很快王科就获得了国家自然科学基金面上项目“氮化镓系新型太赫兹量子级联激光器研究”的支持。量子级联激光器是一种新型半导体激光器，是半导体能带工程的典范，在气体检测、空间通信、红外对抗、太赫兹成像等方面得到了越来越多的应用，但也面临着许多的问题。“目前世界上还没有基于氮化镓材料的量子级联激光器，世界范围仅有极少数单位关注，我们国家基本没有开展该方向的研究，可以说这是一个‘无人区’。上千层原子级精确度外延结构的制备是一项挑战极大的任务，我已经准备好坐冷板凳。”不久后该研究获得科技部重点研发计划重点专项支持。在王科构想的蓝图里，以氮化镓系列材料开发新型太赫兹量子级联激光器，是当前国际上具有引领性的前沿领域，如果取得突破，就可以产出从无到有的原创性成果，这将是我国新的第一，冒险是值得的。

面向产业难题和战略需求

氮化物半导体具备优良的材料特性，除了在发光方面的产业应用，在射频微波电子、功率电子、光电探测等方面也有广泛应用。江苏省在氮化物半导体领域有很坚实的产业基础，且大力支持产学研密切合作。王科回南京工作不久就获得江苏省产业前瞻与关键核心技术重点项目的支持，针对高质量氮化镓衬底材料的应用开发，负责基于氮化镓材料的器件应用验证，主要面向国民经济主战场与5家合作单位开展几种核心光电子与电子器件关键技术研究。比如面向新型显示产业的micro-LED、面向5G通信产业的射频微波器件、面向电力电子产业的功率器件，还有面向战略需求的尖端技术——氮化镓雪崩光电探测器、激光二极管、深紫外发光器件及紫外单光子探测器。江苏良好的产学研合作氛围正有力地促进科研工作落到实处，推动相关产业的发展。尤其是团队紫外单光子探测器的工作已获得体现国家战略的科技创新2030—重大项目的支持。王科说：“能够为我国科技发展的战略需求贡献一份力量，我感到非常荣幸。”

王科对于科研工作，有一种发自内心的热爱。在他看来，科研不仅需要严谨认真的品格，而且需要勇于创新和钻研深入的精神。作为一名教师，王科十分注重对学生的引导作用。在日常的科研教育中，他非常关心学生的想法，注重培养他们对产业发展趋势的了解，引导学生关注科技前沿的进展动态，为将来选择方向打下基础。他的学生多次获得国内外顶级学术会议的奖项，这是对他为教育付出的最大肯定。

站在前人的肩膀上，眺望远方，王科充满了自信：“虽然目前面临的问题很多，但我们不会气馁，我们会一个问题一个问题地解决，一步一个脚印地朝着目标前进。”

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