本刊記者 李曉文

存高遠之志 填國內(nèi)空白
——記國家“千人計劃”特聘專家、電子科技大學(xué)教授宋海智

本刊記者 李曉文

作為新興、前沿的科技領(lǐng)域，量子技術(shù)在近年來發(fā)展迅速，已成為國家科技發(fā)展戰(zhàn)略的重要組成部分。2017年有報告統(tǒng)計，我國在量子科技領(lǐng)域的投入和產(chǎn)出綜合排名世界第二。對于量子的研究，還有人說，“在當(dāng)前的信息技術(shù)中，量子科技是最具革命性前景的，可以顛覆人類未來”“量子科技的未來充滿無限可能，人類生活和社會生產(chǎn)都將因量子科技而深刻改變”。量子科技除了對經(jīng)濟社會產(chǎn)生深刻影響外，量子相關(guān)技術(shù)對國防事業(yè)更是至關(guān)重要。

發(fā)展量子技術(shù)已是大勢所趨，而半導(dǎo)體光電子材料是發(fā)展量子科技的關(guān)鍵支撐，只有解決材料基礎(chǔ)問題，才能掌握該領(lǐng)域的主動權(quán)。而宋海智從事的正是這樣一項事業(yè)——半導(dǎo)體光電子材料和器件研究。2014年，宋海智以國家“千人計劃”特聘專家身份全職回國，放棄海外10多年的優(yōu)越工作和生活，先后加入西南技術(shù)物理研究所和電子科技大學(xué)，充分發(fā)揮其在量子技術(shù)領(lǐng)域的專長，立志填補國內(nèi)光電子材料領(lǐng)域空白，并成功突破瓶頸，初步實現(xiàn)了相關(guān)材料的自主研制。

負笈求學(xué)，玉汝于成揚眉

從1986年到1997年，從南京大學(xué)到北京大學(xué)，再回到南京大學(xué)，這一路上，宋海智完成了本科、博士、博士后的學(xué)習(xí)和研究，而不變的是他一直在自己最感興趣的半導(dǎo)體物理領(lǐng)域里奮斗著。10多年的專業(yè)積累，為宋海智的成長打下了堅實基礎(chǔ)。學(xué)海無涯，特別是當(dāng)攀登“科研”這座高峰時。于是，1998年，宋海智決定到比利時魯汶大學(xué)物理系作訪問學(xué)者。“在那兒也學(xué)了不少東西，雖然時間短，但還是很長見識?！?/p>

說到半導(dǎo)體行業(yè)，尤其是材料行業(yè)，那就不得不說到日本。日本在半導(dǎo)體以及材料行業(yè)的地位，一直處于世界頂尖。這對宋海智無疑有著最大的吸引力，要想接觸到最前沿的技術(shù)，要想在半導(dǎo)體及材料領(lǐng)域做出一番事業(yè)，必須去日本。1998年，宋海智決定遠赴東洋，而這一待就是16年，同時也鑄就了他人生中的一段輝煌征程。這16年里，他先后在日本筑波大學(xué)物理工學(xué)系任助教，在日本富士通研究所納米技術(shù)研究中心任研究員，又在富士通研究所納米電子研究中心任高級研究員，同時兼職日本東京大學(xué)量子電子情報研究機構(gòu)高級研究員。其中，在富士通的工作時間長達10年之久，這也是宋海智“高產(chǎn)”的重要階段。

這期間，他發(fā)明了半導(dǎo)體量子點量子運算陣列制備技術(shù)，并產(chǎn)生廣泛的國際影響，為學(xué)界同行不斷模仿跟蹤；成功開發(fā)了1.3微米半導(dǎo)體量子點激光器材料的生產(chǎn)技術(shù)，其器件曾獲得日本文科省科技獎、經(jīng)產(chǎn)省大臣獎等多項國家級和國際獎項，該器件完成量產(chǎn)化后市場表現(xiàn)良好；主持設(shè)計和研制了1.06微米半導(dǎo)體量子阱激光器，以此為基礎(chǔ)制成的純綠色激光器已經(jīng)產(chǎn)品化；研究設(shè)計了高性能1.55微米半導(dǎo)體量子點單光子源，以此實現(xiàn)了120km光纖量子密鑰分配。

作為晶片生產(chǎn)技術(shù)負責(zé)人，宋海智成功研制的1.3微米半導(dǎo)體量子點激光器有著其他產(chǎn)品無法比擬的優(yōu)良特性：單模輸出，最高工作溫度200℃， 無錯傳輸距離＞20km。與具有國際先進水平的德國Innolume公司相關(guān)產(chǎn)品相比，在“直接調(diào)制比特率”和“穩(wěn)定工作溫度”等指標方面處于均處于優(yōu)勢地位。該產(chǎn)品性能為國際最高水平，在日本QDLaser公司已經(jīng)量產(chǎn)化，并用于高速光纖通訊（國內(nèi)尚未有實用化的類似產(chǎn)品）。

2016年3月，與諾貝爾獎獲得者中村修二在電子科大探討合作。

作為材料生長、芯片工藝及質(zhì)量評價負責(zé)人，宋海智成功開發(fā)的純綠色半導(dǎo)體激光器，產(chǎn)品性能也同樣處于國際先進水平：單模輸出，色純度532nm，調(diào)制帶寬＞100M H z。該產(chǎn)品已經(jīng)由QDLaser公司量產(chǎn)化，將用于下一代微型投影儀等顯示設(shè)備（國內(nèi)尚未見類似產(chǎn)品的開發(fā)成果）。

長期從事半導(dǎo)體光電子材料和器件的研究以來，宋海智已發(fā)表學(xué)術(shù)論文120余篇，授權(quán)美國、歐洲、日本技術(shù)專利達25項，并多次在國際學(xué)術(shù)會議上作特邀報告。

面對如此多的驕人成績，宋海智直言：“完成了幾項產(chǎn)品設(shè)計和開發(fā)，我覺得這是我工作最驕傲的地方。說實話，做產(chǎn)品這一路，都是一步一個腳印走過來的?！倍嗄暝谌毡镜墓ぷ鞯那猩斫?jīng)歷，讓宋海智感受最深的就是：“在做科研方面，日本人并不一定比我們更有創(chuàng)造性，但是他們做一件事情能做得非常精細，做得非常到位?！倍@種精益求精的科研態(tài)度，也深深影響著他。

學(xué)成歸國，助推光電材料

盡管在國外10余年創(chuàng)下了累累碩果，但這對宋海智來說，并不是真正的價值實現(xiàn)。多少個日日夜夜，隔海而望的祖國時時刻刻牽繞在他心中?！坝梦宜鶎W(xué)，回報祖國，服務(wù)國家，希望能在光電子材料領(lǐng)域填補國內(nèi)空白?！边@才是宋海智最大的理想。

于是，在2014年，宋海智毅然選擇全職回國。在他看來，回國有三大考慮：“一是科研做到一定程度，要尋找新的挑戰(zhàn)。國內(nèi)科研形勢一片大好，每個人都干勁很足，在不斷的出成果，這種積極的氛圍非常吸引人；二是個人的價值實現(xiàn)，要在科研中做出成就感；第三是實實在在的，發(fā)揮在國外這么多年所學(xué)所得，希望為咱們國內(nèi)解決某一方面的問題，能夠貢獻一點力量。在半導(dǎo)體光電子材料這一方面，國內(nèi)產(chǎn)品的材料需求主要還是依靠進口，材料問題還沒有徹底解決，尤其是軍需品，如果基礎(chǔ)材料受制于人就會很被動，只有掌握了這方面的核心技術(shù)，自給自足，自主開發(fā)，才能掌握主動權(quán)?！?/p>

“我就希望我可以有這個能力回來解決這個問題?！彼魏Ｖ侵毖?，“我有這個責(zé)任，而且我相信我也有這個能力，在半導(dǎo)體光電子材料方面，至少部分地解決我們國內(nèi)的需求?！?/p>

III-V族半導(dǎo)體多層異質(zhì)結(jié)光電材料是發(fā)展近紅外半導(dǎo)體光電器件的基礎(chǔ)核心材料，是影響近紅外半導(dǎo)體光電探測器與激光器性能的關(guān)鍵因素。該異質(zhì)結(jié)材料制備的水平直接關(guān)系到近紅外半導(dǎo)體光電探測器的量子轉(zhuǎn)化效率、雪崩倍增因子、光譜響應(yīng)范圍、噪聲因子與響應(yīng)時間等關(guān)鍵性能指標；而近紅外半導(dǎo)體光電探測器作為基礎(chǔ)核心器件，其性能直接影響近紅外激光武器系統(tǒng)（包括激光制導(dǎo)、激光預(yù)警、激光成像探測等）的探測靈敏度、探測波段、探測距離等關(guān)鍵戰(zhàn)技指標。同時，III-V族半導(dǎo)體多層異質(zhì)結(jié)光電材料也是研制半導(dǎo)體激光器等其他光電器件的核心基礎(chǔ)材料，因而具有廣泛的戰(zhàn)略意義和研究價值。

據(jù)宋海智介紹，目前國內(nèi)自主研發(fā)的III-V族半導(dǎo)體多層異質(zhì)結(jié)光電材料，在材料的均勻性、組分精確控制、膜層厚度精確控制等質(zhì)量方面與日本、美國的材料制備水平存在一定的差距，并不能滿足我國軍用近紅外半導(dǎo)體光電器件，特別是具有量子結(jié)構(gòu)的近紅外光電探測器的研制需要。而國外研制的高性能III-V族半導(dǎo)體多層異質(zhì)結(jié)光電材料對我國嚴格禁運，這嚴重制約了我國近紅外光電探測器的發(fā)展。因此，開展高性能多層異質(zhì)結(jié)光電材料研制能夠大大縮短我國在核心光電器件領(lǐng)域同國外的差距。

而宋海智所掌握的異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體材料生長的精密制備技術(shù)已成功地運用于半導(dǎo)體光電子器件（主要包括半導(dǎo)體光電探測器和半導(dǎo)體激光器），其中新型的半導(dǎo)體量子點激光器，目前在國外即將進入實用階段，國內(nèi)的開發(fā)尚有待展開。

除了擁有堅實的半導(dǎo)體物理理論基礎(chǔ)，宋海智在半導(dǎo)體光電子學(xué)領(lǐng)域還有著20多年的研發(fā)經(jīng)驗，不但掌握了利用MBE(分子束外延）、MOCVD(金屬有機物化學(xué)氣相沉積）等手段制備多層異質(zhì)結(jié)光電材料的核心技術(shù)，而且在III-V族半導(dǎo)體多層異質(zhì)結(jié)光電材料的研制上獨有“專長”。這將有力地推動國內(nèi)軍用半導(dǎo)體光電子器件的發(fā)展，大大縮短國內(nèi)半導(dǎo)體多層異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料的制備技術(shù)與國際前沿水平的差距。

2014年全職回國后，宋海智首先選擇加入西南技術(shù)物理研究所，負責(zé)光電子材料的研發(fā)。在宋海智看來，做光電子材料，首先要選擇突破口和切入點，而這個突破口就是西南技術(shù)物理研究所。

西南技術(shù)物理研究所肩負著發(fā)展國內(nèi)激光材料、激光探測器、激光器及激光武器應(yīng)用的重要使命，不言而喻，高性能的光電材料是其研發(fā)基礎(chǔ)的重中之重。

在大面陣雪崩探測器的制備上，由于國際上軍用面陣探測器材料對我國嚴格禁運，這就使我們的焦平面探測器無法實現(xiàn)完全國產(chǎn)化，瓶頸始終沒有突破，極大地限制了激光成像探測技術(shù)及其應(yīng)用裝備的發(fā)展。而憑借多年掌握的多層異質(zhì)結(jié)光電子材料制備的核心技術(shù)，尤其是在III-V族半導(dǎo)體多層異質(zhì)結(jié)光電子材料方面的專長，宋海智將為激光焦平面探測器的研制解決基礎(chǔ)問題——材料。在宋海智和團隊的共同努力下，目前，該所研制材料的綜合技術(shù)參數(shù)已與國際先進水平相當(dāng)，初步克服了激光焦平面探測器國產(chǎn)化的瓶頸難題，從而有力提升我國軍用半導(dǎo)體光電探測器的綜合性能，促進激光成像雷達等先進光電武器裝備的發(fā)展，大大縮短與國外先進水平的差距。

2008年使用光電子材料開發(fā)設(shè)備

以雪崩探測器所需要的材料作為切入點，經(jīng)過不斷研究，宋海智和團隊已基本實現(xiàn)了半導(dǎo)體雪崩光電探測器材料的自主研制。

借科大之力，搭建西部平臺

2015年6月，在電子科技大學(xué)基礎(chǔ)與前沿研究院和光電信息學(xué)院的聯(lián)合引進下，宋海智加入了電子科大。在這里，他將充分發(fā)揮在科研院所和產(chǎn)業(yè)界長期積累的優(yōu)勢，結(jié)合電子科技大學(xué)的學(xué)科特點，展現(xiàn)其在基礎(chǔ)研究領(lǐng)域引領(lǐng)性作用，致力于學(xué)科建設(shè)和人才培養(yǎng)，推動學(xué)校在光電學(xué)科領(lǐng)域的發(fā)展。

宋海智表示，自己也非常榮幸成為成電子科大的一份子。他說，電子科大有著深厚的歷史積淀和良好的學(xué)術(shù)氛圍，感謝學(xué)校提供的良好基礎(chǔ)研究和創(chuàng)新平臺。這兩三年來，他依托基礎(chǔ)與前沿研究院和光電信息學(xué)院，努力為學(xué)校作出應(yīng)有的貢獻。

除了半導(dǎo)體光電子材料的研究，宋海智比較感興趣的還有量子信息研究。目前，宋海智在電子科技大學(xué)正著力進行量子信息器件方面的相關(guān)研究。

近幾年來，關(guān)于量子信息研究的相關(guān)報道異常火熱，我國成功發(fā)射量子衛(wèi)星及其相關(guān)量子通信試驗，在國際相關(guān)研究領(lǐng)域帶來了重大影響。有人稱，“在當(dāng)前的信息技術(shù)中，量子科技是最具革命性前景的，將顛覆人類未來?！睙o論是在量子芯片、量子通信和量子計算等量子效應(yīng)的深度應(yīng)用，還是在顯示的初露鋒芒，量子科技都呈現(xiàn)出了充滿無限想象的未來。

而早在十幾年前，宋海智就開始了量子信息的研究，產(chǎn)出了一批發(fā)明專利。在日本東京大學(xué)量子電子情報研究機構(gòu)工作期間，又參與實現(xiàn)了遠距離光纖量子通信。根據(jù)這些經(jīng)驗，盡管量子技術(shù)的相關(guān)研究比較火熱，但仍然存在著一系列瓶頸問題。宋海智表示：“目前量子技術(shù)所需要的一些器件還不成熟，我們想通過我們的半導(dǎo)體技術(shù)，來解決現(xiàn)在面臨的實際問題?！?/p>

毫無疑問，我國在量子信息領(lǐng)域的研究已處于世界前沿水平，但宋海智明顯感覺到：“國內(nèi)在這一方面的發(fā)展還不平衡，東西部差距還很明顯?！蹦懿荒茉谖鞑恳步⒘孔有畔⒀芯炕兀窟@成了宋海智的一個想法，并致力于推動平臺的建設(shè)。

除了個人興趣，宋海智坦言，自己也有一點“野心”：抓住目前國內(nèi)以及世界整體發(fā)展的方向，在基礎(chǔ)技術(shù)方面跟上國際步伐；能有所創(chuàng)新，擁有我們自己的自主知識產(chǎn)權(quán)的量子產(chǎn)品。對于目前的工作，宋海智表示：“我們會重點解決量子信息技術(shù)在實現(xiàn)應(yīng)用或者產(chǎn)業(yè)化過程中遇到的必須解決的器件問題?！?/p>

眼下，宋海智正在建設(shè)兩班團隊，有條不紊地開展相關(guān)研究工作。在團隊建設(shè)和人才培養(yǎng)上，宋海智也有自己的心得和原則：“團隊要有一個開放的體制；培養(yǎng)學(xué)生不只是為項目、為團隊培養(yǎng)，更要為社會培養(yǎng)，要有一個開放的心態(tài)和眼光；要培養(yǎng)一批能夠支撐起半導(dǎo)體光電材料整個產(chǎn)業(yè)的人才?！?/p>

“我們的目標就是要建立我們國家自己的半導(dǎo)體光電子材料生產(chǎn)平臺，將來我們國內(nèi)光電子器件生產(chǎn)所需材料都由我們自己來提供。”盡管萬事開頭難，前期啟動性質(zhì)的基礎(chǔ)工作并不好做，但宋海智始終滿懷信心，同時他表示，“要做成這么一件有意義的事，并非一人或一個單位所能完成的，希望能聯(lián)合其他單位的有關(guān)專家一起做”。明知山有虎，偏向虎山行。宋海智清楚知道前面的路并不好走，回國這3年他也從未停止過努力，為獲得民間資本或地方政府資助，他一直在奔波著。

最后，宋海智表達了自己的殷切期望：“如果地方或者國家層面能夠再給予更大的扶持和支持的力度的話，我想我們的目標一定指日可待?！彼魏Ｖ呛苷J真地說道：“無論如何，我們自己永不退縮，會朝著建立和完善我國半導(dǎo)體光電子材料產(chǎn)業(yè)的目標不斷地前行。”

專家簡介：

宋海智，國家“千人計劃”特聘專家，電子科技大學(xué)教授。1990年畢業(yè)于南京大學(xué)物理系半導(dǎo)體物理與器件專業(yè)，獲理學(xué)學(xué)士學(xué)位；1995年畢業(yè)于北京大學(xué)物理系凝聚態(tài)物理專業(yè)，獲理學(xué)博士學(xué)位；1997年完成南京大學(xué)物理系博士后研究；1998年赴比利時魯汶大學(xué)物理系作訪問學(xué)者；1998～2001年，在日本筑波大學(xué)物理工學(xué)系任助教；2001～2004年，在日本富士通研究所納米技術(shù)研究中心任研究員；2004～2014年，在日本富士通研究所納米電子研究中心任高級研究員，同時兼職日本東京大學(xué)量子電子情報研究機構(gòu)高級研究員。長期從事半導(dǎo)體光電子材料和器件的研究，至今已發(fā)表學(xué)術(shù)論文120多篇，授權(quán)美國、歐洲、日本技術(shù)專利25項，多次在國際學(xué)術(shù)會議上作特邀報告,并成功研發(fā)了多種半導(dǎo)體光電子產(chǎn)品。