郝跃的个人简介

西安电子科技大学教授郝跃和他带领的宽禁带半导体技术科研团队，依托宽带隙半导体技术国家重点学科实验室，开展宽禁带半导体材料与器件的应用基础研究，实验室已成为国内外宽禁带半导体材料和器件的科学研究、人才培养、学术交流、成果转化方面的重要基地，是西安电子科技大学微电子学与固体电子学国家重点学科、“211工程”重点建设学科和国家集成电路人才培养基地的重要支撑。

敏锐洞察微电子前沿

上世纪，信息科学技术蓬勃兴起，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。彼时，在微电子领域已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成为关注的核心。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。

寻找新的方向，是学术带头人郝跃直觉到的内在要求。他把目光转向化合物半导体，并最终聚焦到国际上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，容易形成先发优势。

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。这更加坚定了他的决心。回国后，他毅然宣布，全面转向新的研究方向，宽禁带半导体材料与器件。

据实验室的青年教师马佩军回忆说，这无异于一颗重磅炸d，在学院里引起了不小的震动，很多人都无法理解。当时作为郝跃老师的博士研究生，马佩军也觉得非常突然和吃惊。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，在马佩军看来，这一新的未知领域充满风险。

尽管争议很大，但是郝跃非常坚决。没有经费筹措经费，没有条件就创造条件，举全力投入。同事和学生们都感叹，郝老师胆识过人，决策果断，他看准的事情绝不拖泥带水。

短短几年的时间就已证明，当初郝跃带领他的团队爬上的这座山头是个宝藏。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，它翻开了世界微电子学科和微电子产业全新的一页。

自主搭建创新平台

刚开始关于宽禁带半导体材料氮化镓的研究，摆在郝跃面前最大的问题是没有材料生长设备。引进一套设备，当时需要700万元到800万元。然而由于没有研究基础，还不能申请国家的经费支持。

怎么办？郝跃决定不等不靠，自己搭建一套设备。他从手中的项目经费中挤出部分经费，又自己垫资，东拼西凑，终于凑到200万元，由此开始了自主研发并搭建材料研制平台的艰苦历程。

用这200万元购买零部件，团队成员自己动手设计与搭建设备。万事开头难，郝跃鼓励大家说，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。

2002年，在郝跃的领导和指导下，第一代MOCVD（有机化合物化学气相淀积）设备研制成功。当时毕业留校直接参与了设备研发的青年教师张进成，回忆起那段“带着学生从焊板子开始”的往事，感到更多的是成就感。这套后来被张进成笑称为“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GaN（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。

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，GaN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GaN材料缺陷密度相对较高，这是长期制约GaN电子器件发展的瓶颈。

郝跃带领他的团队系统研究并揭示了GaN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MOCVD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GaN电子材料生长的国际难题，推动了GaN材料生长技术与核心设备的应用。团队自主研发的MOCVD系统及关键技术已成功产业化，应用于GaN半导体微波器件和光电器件制造企业，已累计实现产值2.1亿元。他们自主制备的高性能GaN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。

成果转化彰显价值

2002年，GaN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。

然而事情一开始并不十分顺利，显然这件新事物的价值还不为市场所认识，没有引起足够的重视。郝跃认为，再好的成果，如果“养在深闺人未识”，没有实现其应有的价值，就不能算最后的成功。不等不靠，郝跃决定主要依靠团队自己的力量，将这项成熟的技术尽快转化。

2005年，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GaN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GaN（氮化镓）和SiC（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；GaN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，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。美国阿里安火箭100多次发射中有过8次失利，其中7次都是由个别器件故障导致的。随着电子系统复杂度的日益提高，器件可靠性问题越来越突出，对我国更是如此。

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1998年的国家科技进步奖三等奖。

早在2001年，团队首次提出并建立了高可靠性的自对准槽栅半导体器件结构与制造工艺，使器件可靠性提高近2个数量级，被评价为“槽栅器件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”。这项成果成功用于知名集成电路制造商——中芯国际公司高可靠集成电路大生产。该项成果还获得了2008年的国家科技进步奖二等奖。

“微电子不微”，这是郝跃常挂在嘴边的一句话。微电子技术是一个国家核心竞争力的体现，是国家综合国力的标志。他说，作为科研工作者，要承担起自己的使命。

面向未来，郝跃一方面密切关注着学科前沿此起彼伏的热点，一方面反思着团队持续发展中面临的一些自身的问题：数理基础要进一步巩固和加强，创新性思维有待进一步培育，科学的精神、激情与活力需要进一步激发……他似乎总有一种时不我待的紧迫感。

西安电子科技大学南校区一片美丽的草坪上，一座巨石巍然耸立，上书“四海同芯”四个大字雄浑苍劲，似乎诉说着西电微电子人的执著与奋斗，梦想与追求。

氮化镓（GaN）为便携式产品提供更小、更轻、更高效的台式AC-DC电源。氮化镓（GaN）是一种宽禁带半导体材料。当在电源中使用时，GaN比传统的硅具有更高的效率、更小的尺寸和更轻的重量。传统硅晶体管的损耗有两类，传导损耗和开关损耗。功率晶体管是开关电源功率损耗的主要原因。为了阻止这些损耗，GaN晶体管（取代旧的硅技术）的发展一直受到电力电子行业的关注。

氮化镓在关键领域比硅显示出显著的优势，这使得电源制造商能够显著提高效率。当电流流过晶体管时，开关损耗发生在开关状态的转换过程中。在给定的击穿电压下，GaN提供比硅更小的电阻和随后的开关和传导损耗，因此GaN适配器可以达到95%的效率。

由于GaN器件比硅具有更好的热导率和更高的温度，因此，电源的整体尺寸可能显著减小，可以减少对热管理组件的需求，如大型散热器、机架或风扇。移除这些内部元件，以及增加的开关频率，使得电源不仅更轻，而且更紧凑。

激子是固体中的一种基本的元激发，是由库仑互作用互相束缚着的电子-空穴对。半导体吸收一个光子之后，电子由价带跃迁至导带，但是电子由于库仑作用仍然和价带中的空穴联系在一起。激子对描述半导体的光学特性有重要意义；Free Exciton自由激子束缚在杂质上--施主，受主，深能级杂质形成束缚激子(Tight Bond Exciton)。激子束缚能大，说明自由激子容易和杂志结合形成发光中心。激子效应对半导体中的光吸收、发光、激射和光学非线性作用等物理过程具有重要影响，并在半导体光电子器件的研究和开发中得到了重要的应用。与半导体体材料相比，在量子化的低维电子结构中，激子的束缚能要大得多，激子效应增强，而且在较高温度或在电场作用下更稳定。在半导体吸收光谱中,本征的带间吸收过程是指半导体吸收一个光子后,在导带和价带同时产生一对自由的电子和空穴.但实际上除了在吸收带边以上产生连续谱吸收区以外,还可以观测到存在着分立的吸收谱线,这些谱线是由激子吸收引起的,其能谱结构与氢原子的吸收谱线非常类似.激子谱线的产生是由于当固体吸收光子时,电子虽已从价带激发到导带,但仍因库仑作用而和价带中留下的空穴联系在一起,形成了激子态. 自由激子作为一个整体可以在半导体中运动.这种因静电库仑作用而束缚在一起的电子空穴对是一种电中性的、非导电性的电子激发态.与氢原子一样,激子也具有相应的基态和激发态,但其能量状态与固体中的介电效应和电子空穴的有效质量有关.实际上,固体中的激子态可用类氢模型加以描述,并按此模型很好地估算出激子在带边下方分立能级的能态和电离能。总的来说,宽禁带的半导体材料,激子束缚能较大,而激子玻尔半径则比较小.而禁带较窄的材料,其激子电离能较小,激子玻尔半径则较大。激子效应对半导体中的物理过程和光学性质具有重要的影响.激子的吸收和复合直接影响半导体的光吸收和发光,而且,作为固体中的一种元激发,其状态与母体材料的电子能带性质和外场的作用紧密相关.此外,自由激子在半导体中可以受到杂质或缺陷中心在空间上的束缚,形成所谓的束缚激子。其吸收谱线能量位置略低于自由激子的吸收谱线.激子在电中性缺陷上的束缚过程大致可分为两种,它可以是一个自由激子整体地受到缺陷中心的束缚,也可以是一个电荷(电子或空穴) 首先被缺陷的近程势所束缚,使缺陷中心荷电,然后再通过库仑互作用(远程势)束缚一个电荷相反的空穴或电子,形成束缚激子.束缚激子在半导体发光中有非常重要的地位.在间接带半导体材料中,由于动量选择定则的限制,材料的发光通常是很弱的,但如果存在束缚激子,其波函数在空间上是局域化的,因而发光跃迁的动量选择定则大大放松,无须声子参与就可能具有很大的发光跃迁几率.这样,间接带材料的发光效率将大大增强。例如,在间接带Ⅲ-Ⅴ族半导体材料磷化镓(GaP)中,通过掺入Ⅴ族氮原子(或同时掺入能形成施主受主对的锌和氧),发光就可大大增强,其原因就是因为氮在晶格中代替磷位,是一种电中性的替位式等电子杂质.这种杂质中心由于其电负性与主晶格原子不同,原子尺寸不同等原因,在晶格中会产生作用距离较短的近程势,并使激子束缚在其位置附近形成束缚激子.实验上,在掺氮的GaP中已观测到单个氮原子以及成对氮原子所引起的很强的束缚激子发光.现在,这类掺杂方法已成为制造GaP和GaAsP等可见光发光二极管的基本工艺.激子是由库仑作用结合在一起的电子空穴对,其稳定性取决于温度、电场、载流子浓度等因素.当样品温度较高时,激子谱线由于声子散射等原因而变宽.而当 KbT(k是玻尔兹曼常数)值接近或大于激子电离能时,激子会因热激发而发生分解.所以,在许多半导体材料中,只有低温下才能观测到清晰的激子发光,而当温度升高后,激子谱线会展宽,激子发光强度降低,以至发生淬灭.另外,在电场的作用下,电子和空穴分别向相反方向运动,因而当半导体处于电场作用下时,激子效应也将减弱,甚至由于电场离化而失效.而当样品中载流子浓度很大时,由于自由电荷对库仑场的屏蔽作用,激子也可能分解.这些影响激子稳定性的物理因素在光电器件应用中,可以作为对激子效应和相关的光学性质进行可控调制的有效手段.但对发光和激光器件来说,特别是对一些需要在室温下大浓度注入条件工作的器件来说,将产生一些不利的影响,使激子效应的应用受到限制.总的来说,当激子束缚能较大时,激子相对比较稳定.如在宽禁带半导体材料(如Ⅱ-Ⅵ族化合物材料和氮化物)以及下面要更详细讨论的半导体量子阱等低维结构中,激子束缚能一般比较大,即使在室温下,激子束缚能也比KbT大许多,吸收光谱中能看到明显的激子吸收,激子效应不易淬灭,甚至已实现了以激子复合效应为主的激光器件.在一些发光二极管和特殊发光器件的实际应用中,激子发光是一种重要的发光机制,特别是在一些间接带半导体材料和低维结构半导体材料制成的发光二极管中,激子发光跃迁被证明往往起着关键性的作用.例如用氮化物材料可制成篮绿光和紫外光发光二极管.众所周知,氮化物及其合金中一般缺陷浓度是很大的,但发光效率却很高,原因是受到局域化的激子有很高的复合几率,使得载流子在到达非辐射复合中心之前,就通过激子复合对发光作出贡献.人们认为, InGaN/GaN量子阱之所以发光效率很高,与InGaN中存在着组分分凝,甚至形成了量子点,激子发光得到加强有关。

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