穿越日盲区——“先进日盲紫外探测与应用技术”创新记

本刊记者 王 涵

穿越日盲区
——“先进日盲紫外探测与应用技术”创新记

本刊记者 王 涵

在国际科技论坛上作报告

专家简介：

张荣，山东大学校长，国家杰出青年基金获得者，教育部长江学者特聘教授，国家“万人计划”科技领军人才，教育部科技委委员。曾任南京大学常务副校长。1964年2月出生，江苏大丰人。20多次担任国际学术会议主席/副主席、程序/组织委员会主席/副主席。曾获得国家自然科学基金委创新群体基金（2004）、科技部重点领域创新团队（2013）支持，带领团队荣获教育部自然科学奖一等奖（2010）和技术发明奖一等奖（2013）；被授予国家自然科学奖二等奖（2003年，第二完成人），是2016年度国家技术发明奖二等奖项目“先进日盲紫外探测与应用技术”第一完成人。

240～280nm是一个特殊的波段。当这一波段的紫外光穿过大气层时，其光子目标信号会和臭氧层产生的强烈“反应”，几乎被吸收殆尽。这样一来，该波段的太阳光信号，在地表几乎完全不存在，形成了一个天然“日盲区”。如果地球上探测到该日盲波段信号即表示有特殊事件的发生。

要知道，除了强闪电之类的异常现象，枪支开火、炸药爆炸、火灾和高压输电线漏电等都会产生日盲信号。而日盲紫外信号非肉眼所见，如何把这些隐匿在日盲区内的危险信号找出来？如何让它们的“形象”显示在人前？已经是国际公认的军事制高点，被视为电子领域的尖端技术。

“由于日盲紫外技术在红外紫外双色制导、导弹识别跟踪、舰载通讯等国防领域具有重大战略意义，西方国家对我国实行严密核心技术封锁。我们必须通过自主创新，开辟新的技术路径。”张荣说。近日，他们团队的“先进日盲紫外探测与应用技术”刚刚被授予2016年度国家技术发明奖二等奖。而他和项目组在做的就是穿越日盲区的限制，拓展其应用前景。“除了国防，这项技术在电网安全监测、医学成像、海上搜救、环境与生化检测等民生领域也有重要应用。”

剑指“三高”，引领日盲紫外探测潮流

高灵敏日盲紫外光子信号探测是世界性难题。但究竟为什么探测困难？通过张荣的科普，记者得知，日盲紫外光子目标信号传输损耗大、带外噪声干扰强，需要探测系统具备在日盲紫外带外全波段1015抑制比。也就是说，要在一千万亿个波长大于280纳米的背景光子中探测到单个或者若干个日盲紫外光信号，无异于大海捞针。然而，就算日盲紫外探测与成像再困难，他们也希望有朝一日能够做出应用级的技术。这一点，从他们决定投身该项研究时就明确了。

该项目是以新一代紫外探测器优选材料——Ⅲ族氮化物的晶体生长和能带调控作为技术基础的。这里所说的“Ⅲ族氮化物”主要指的就是AlGaN三元合金化合物半导体。

据介绍，高Al组分的Ⅲ族氮化物半导体的外延生长通常面临着一些特殊的困难。究其原因，一是由于Al原子相对于Ga原子具有更大的粘滞系数，扩散长度小，难以形成二维生长模式；二是Al原子与作为生长气源的NH3寄生反应严重，而氮化物半导体与现有的衬底材料之间也存在较大的晶格失配等问题。与此对应，在研究中就不得不面对AlGaN材料制备时存在的Al组分控制以及材料缺陷控制所带来的挑战。而随着Al组分的增加，AlGaN材料Mg受主离化能偏高，研究者又必须解决另一个关键问题——获得高空穴浓度的p型AlGaN。

与外国学者交谈

为此，团队发明了调控异质界面应力的新型插入层、抑制寄生反应的源流量控制、提高激活率的p型掺杂等技术，实现了低缺陷密度和高空穴浓度的日盲波段AlGaN材料制备。与原有技术相比，他们的方法使得材料位错密度降低了1～2个量级，空穴浓度提高了1个量级，完全可以担当起高灵敏度日盲紫外探测器件研制的技术后盾。

高性能材料问题解决了，接下来就该是如何提高先进日盲紫外光电探测器件的灵敏度了。

一般来说，Ⅲ族氮化物半导体具有强达M V/c m量级的压电极化和自发极化效应，对器件的光电性质有极其重要影响。张荣团队要设计氮化物器件，自然也不会放过这个必须考虑的重要因素。他们认为，如果善加利用，可以取得奇效。事实证明，他们创立的极化增强探测器设计理论的确是一个潜力股。在该研究中，他们碰撞出一个重要的灵感——通过p型层/倍增层异质结将极化场引入雪崩光电探测器（APD）的倍增层。

“APD的性能主要体现在雪崩增益和暗电流这两个关键参数上。新一代半导体材料Ⅲ族氮化物的日盲紫外APD，由于高Al组分AlGaN材料存在较高缺陷密度和较低p型掺杂效率，为实现高雪崩增益和低暗电流带来巨大的挑战。”项目组一致认为，这种新的倍增层结构一举数得：既可以提高倍增层电场和降低雪崩击穿时的外加偏压，也能够降低雪崩击穿时暗电流，实现极化增强日盲紫外APD。与无极化增强的传统AlGaN雪崩光电探测器相比，新结构能够将雪崩倍增因子提升两倍以上，从而使器件主要性能参数增益和暗电流均达到目前国际公开报道的最好值。

在他们看来，要实现真正的高灵敏度，探测器还需要其它有助于提高灵敏度的增强结构。为此，他们对业内一直沿用的雪崩结构进行了创新，提出了加速区和倍增区分离的新结构，这种结构既可以大大降低雪崩噪声，同时降低了材料制备难度，增加了器件设计灵活性和工艺可重复性。他们还提出了AlGaN分布布喇格反馈结构生长的界面控制技术，首次研制出具有高晶体质量和平坦陡峭界面的三层周期日盲紫外共振增强结构，有效解决了传统的高低折射率两种材料晶格失配和折射率差之间的矛盾，实现了具有高反射率的日盲紫外反射镜。对张荣团队来说，他们的作为无疑是为高灵敏紫外光电探测器开拓了一个新的方向，成为潮流的引领者。

经过层层铺垫，张荣团队终于走到了实现高精准度日盲紫外定位成像技术这一步。前期调研之后，他们发现传统日盲紫外探测器最大的缺陷在于带内灵敏度相对较低、带外噪声高，这直接导致日全盲级单光子灵敏度紫外定位成像技术前行无力。

“国际上只有以色列实现了日全盲级单光子灵敏度探测成像技术，但对我国实行技术禁运。”时至如今，他们已经可以轻描淡写地来面对这个问题。过去的十几年中，张荣团队提出高精准度日盲紫外定位成像算法，建立了日盲紫外灵敏度量化理论，解决了一系列难题，发展了具有单光子灵敏度的日盲紫外成像技术，实现了国产化，打破禁运，填补了国内空白，使我国成为继以色列之后世界上第二个掌握该尖端技术的国家。

基于该成像技术，他们开发了具有国际领先水平的全天候电晕定位监测与电网安全预警系统，可以检测pC级（10-12库伦）的放电信号；此外，他们还发明了分米级高精度紫外定位导航技术，首次研发了港口船舶穿雾靠泊导航系统，从而开辟出日盲紫外精确导航这一新技术领域，被《科技日报》评为2015年我国十大核心技术第一名。

与诺贝尔奖获得者丁肇中教授交谈

参观美国芝加哥大学创新实验室

打破禁运，做好国产化应用

在国家技术发明奖申报书上，张荣团队明确列出了三大发明点，即前文所述高性能AlGaN日盲紫外探测材料制备技术、高灵敏度日盲紫外光电探测器件技术、高精准度日盲紫外定位成像技术。

说是三点，却是他们用30件授权发明专利和2项软件著作权串联起来的一整套自主知识产权链条。在此过程中，他们发表了SCI论文65篇，做国际邀请报告17次，产生了重要的国际影响。这一切，都是在为他们进行成果转化创造条件。

早在2010年，项目组研发的高灵敏紫外光电探测技术就在南京白云化工环境监测有限公司进行了应用。自2012年起，该技术又被拓展到江苏同庚、武汉嘉业恒科等数家企业。在2015年的验收中，几家企业均给出了“性能稳定”“维护简单”“降低成本”等正面反馈，江苏同庚在报告中更是表明，该技术“可完全取代进口”。

“这些企业将高灵敏紫外探测器用于太阳紫外线指数、火焰控制、紫外水净化消毒监测等多个领域。”团队成员介绍说。但这还不算他们的“主打”转化途径，他们的成果主要用于国防紫外探测、电网安全监测和港口船舶靠泊导航等领域。

2011年，中国电子科技集团公司就在整机系统中做了大胆尝试，至今已经运行了5年多。经过量产实施后，该器件组件在江苏南大五维电子和紫峰光电科技等单位进一步转化，得以广泛应用，打破了国际上对我国的技术封锁，突破了产业化关键技术。

谈到电网安全监测，就不得不提到紫外检测的又一重好处。它能够在电网故障早期发现漏电，而传统的红外、超声等技术手段要到漏电后期才能监测到电晕信号。这种超前的敏感性也是利用其研发全天候电晕定位监测与电网安全预警系统的重要因素。

在产学研协调下，该系统在江苏南大五维电子和紫峰光电科技公司华丽变身，成为量产型的“日盲紫外电晕检测仪”。目前，该产品已在江苏省电网公司电力科学研究院、国网四川电力公司电力科学研究院等多家单位得到了应用推广。在进口产品占主导的国内市场上，日盲紫外电晕检测仪以“成像效果良好，电晕型号成像清晰，便于携带，方便巡检人员的检修工作”等优势，迅速立足，并挣得一席之地。到2015年，该产品在电力市场上的占有率已经高达30%。

随着这股势头，南大五维也承担起电力行业标准《高压电气设备放电监测用紫外电晕监测仪技术条件》和国网企标《电力设备带电检测仪器技术规范第3部分：紫外成像仪技术规范》的编写工作，为日后国内紫外产品市场的有序发展做出了重要贡献。

南大五维与项目组的合作不仅如此，高精度日盲紫外定位导航技术也是通过这个“小伙伴”完成产业转化的。他们研发的港口船舶靠泊导航系统可以实现在任意复杂环境下高精度、实时定位导航。对近年来频发的雾霾天气来说，这无疑是船舶安全入港靠泊的福音。

据介绍，传统方式进行定位导航的模式，在面对能见度低于1000米的雾霾情况时就步入了不确定状态。但他们研发的日盲紫外穿雾定位靠泊导航技术能够在可视度极低的复杂环境中直观成像，同时计算船舶自身的准确方位和姿态信息，从而解决恶劣环境及气候下精确靠泊导航的世界难题。2012年起，该技术已经在青岛港进行了数十次港口靠泊试验，真正实现了全天候全时可视的精确导航，将大型船舶的港口靠泊精度创纪录地提高到距离误差小于60cm，角度误差小于0.1度的全新水平。这是中国创造，也是世界首创，他们的“杰作”将原来约15%船舰不能在雾天靠泊码头的变成了全天候运转。

这些只是“先进日盲紫外探测与应用技术”在推广路上的一个个缩影。事实上，通过近几年的量产，他们已经推出了多种规格的紫外探测和成像产品。而仅仅3年，这些产品就已经产生了直接经济效益7318.72万元，间接经济效益超过6亿元。与张荣团队合作的应用单位，也都成为我国日盲紫外探测与成像产品的主要供应商。在他们的努力下，国产日盲紫外探测与成像产品打了一场漂亮的翻身仗，“国际禁运”终于成了一纸空谈。

获2016年国家技术发明奖二等奖

参观德国亥姆霍兹研究会药物学研究所

研路漫漫，唯热爱与专注同行

当张荣和团队紧锣密鼓地忙于研发和转化时，时间似乎总是不够用。而当他回首来时路，在项目书的起始时间一栏填写上“1998年1月1日”时，才注意到，为了先进日盲紫外探测与应用技术系列，他已经走过了19年光阴——从1998年年初开始至今。

正是有了这十几年的努力，他们的项目成果才得到了美国加州大学伯克利分校、英国剑桥大学等一大批世界著名高校及科研院所的高度评价，就连德国AIXTRON公司、美国Vecco公司以及韩国三星等高科技企业也对之表示了浓厚的兴趣。尤其是紫外探测器件好评如潮，Semiconductor Today两次进行专门评介，Compound Semiconductors更是直接表示AlGaN日盲紫外探测器具有“创纪录的低暗电流”。直到2016年1月教育部科技查新工作站查新时，他们的众多性能参数依然遥遥领先。

这条漫长的攻关道路上，张荣团队的工作得到“973”计划、国家重点研发计划、国家自然科学基金重大/重点项目以及国防专项等数项支持。通过这一系列项目，他们培养出博士42名、硕士75名、工程师6人，高级工程师2人，为紫外探测、成像及应用技术的发展推出了一批创新人才。他本人也当选教育部长江学者奖励计划特聘教授。

除了攻克先进日盲紫外探测与应用技术外，张荣还率领团队在我国首个固态照明领域国家“973”计划的支持下，开展了半导体固态照明用超高效率氮化物LED芯片基础研究。到2015年结题时，该项目部分成果被世界权威杂志评述为“提高LED发光效率的开创性成果”，外延芯片技术成果打破了高端产品完全依赖进口的局面，提高了我国在半导体照明领域的国家竞争力。其中的高端LED芯片技术、图形衬底技术、新型电极技术等也已经在相关企业产业化。

显然，对张荣来说，他的科研生涯中不只有日盲紫外探测研究，但直到今天，他也没有忘记过对日盲紫外探测与成像技术的思考。“这是一项新技术，特别是我国才刚刚起步，有关紫外光电检测方法的行业标准尚不健全，制约了它的发展。”他更希望的是，在国家已将该技术列入“十三五”重点研发计划的今天，他和团队在提升技术水平与推进尖端应用上做出新一轮的突破。