志在中国芯 跨越启未来——记中国电子科技集团公司第十三研究所副所长、半导体芯片研究专家蔡树军

户 万 蔡巧玉

如果有人问你，自工业革命以来最为复杂的一项技术是什么？在你了解到指甲盖大小的硅片上面集成了超过10亿只晶体管前，你会毫不犹豫地回答：“是半导体芯片技术”吗？

从1947年贝尔实验室发明第一只晶体管，到1958年J.Kilby和R.Noyce发明第一块集成电路，掀起世界电子产业的一场革命至今，上至航天飞机，下至人们每天使用的智能手机、平板电脑……半导体芯片，已经成为当今世界最不可忽视的重要产品，其对现代信息社会的渗透性远超过其他任何单一类产品。

半导体芯片种类繁多，人们使用最多的是数字芯片。数字芯片主要用于计算和数据处理，如CPU、固态存储硬盘等，它们的作用就像是大脑。此类芯片的单元晶体管尺寸沿着摩尔定律越来越小，目前已达纳米级。射频芯片是另一类用于通信、遥控遥测、雷达等装备的半导体芯片，它们的作用就像是眼睛和耳朵。应用发展要求射频芯片频率和功率越来越高，单元晶体管尺寸则是越来越大。“天问一号”火星探测器与地球的联系依靠的就是射频芯片。您手机接收到的信号强弱就是由射频芯片功率大小决定的，未来5G手机将使用频率更高的毫米波段芯片，信息通量和下载速度将大大增加。

“在射频微波毫米波芯片领域，国产第一代硅和第二代砷化镓半导体芯片规模应用落后西方发达国家数十年。在第三代氮化镓领域，中国芯还要继续落后下去吗？”男儿不展凌云志，空负天生八尺躯。志气，向来是中国电子科技集团公司第十三研究所（以下简称“13所”）副所长、我国半导体芯片研究专家蔡树军和他的团队最不缺，也是最难能可贵的品质。

从早年怀抱“师夷长技以自强”之志远赴美国加州大学洛杉矶分校等世界级半导体研究殿堂积累沉淀、初绽光芒，到回国后，先后带领团队突破第三代半导体氮化镓射频器件技术，实现射频芯片从第二代向第三代的跨越；突破砷化镓芯片制造瓶颈技术，补齐砷化镓芯片落后短板……这一桩桩、一件件事，无不饱含不服输、勇敢拼的勇气和志向，而这，正是中华民族伟大复兴路上中华儿女最不可缺的驱动内核之一。

缘定核芯“发动机”

什么是氮化镓芯片？什么是砷化镓芯片？它们的研究对国家、对普通老百姓有着怎样的意义？走进蔡树军及其团队的研究世界，或许你能一窥究竟。半导体行业中有“一代材料、一代技术、一代产业”的说法。以氮化镓和碳化硅等宽禁带半导体为代表的第三代半导体，正凭借材料性能的优势和广阔的应用场景，被业内誉为固态光源、电力电子、射频器件等产业的“新发动机”。

蔡树军早期工作照

立足国家重大需求，突破半导体射频芯片核心技术，实现第二代砷化镓和第三代氮化镓高端射频芯片的自主设计、自主制造是蔡树军及其团队多年坚持的目标，也是他们最值得骄傲和自豪的贡献。

倾尽半生的智慧和力量，只为改变中国半导体射频芯片的落后局面。这样的壮志，这样的情怀，其实是积蓄已久——

1981年，秉持“学好数理化，走遍天下都不怕”理念的蔡树军以数理化平均超90分的优异成绩考入武汉大学物理系，那年他不满17周岁。回首当时，他笑称自己“啥也不懂”，对“半导体”的概念也还很模糊。初入大学头两年，他和物理系所有学员一样，学的是四大力学、电路原理等基础课程，首要任务是夯实基础。等到大三面临分专业时，在金属、半导体、理论、光学4个专业之间，他毫不犹豫地选择了当时还是新兴学科的半导体，理由只有一个：因为“感觉中国在这个领域落后很多”。越艰难的事情，越需要有人去开拓前行。对年轻的蔡树军来说，不惧困难，勇往直前是他骨子里埋藏的基因，确定目标后，唯奋力前行。

1985年本科毕业后，蔡树军在本科班主任的推荐下，报考13所研究生。选择13所的理由说起来有点“草率”，只因蔡树军的老师说起他多年前到一家单位参加全国性研讨会，而那家单位大门口挂着一幅大横幅，上面写着“热烈欢迎13所老大哥前来指导！”“这说明13所的地位一定很高。”蔡树军笑着回忆。事实上，笑谈背后，是13所作为我国半导体领域内代表“国家水平”的知名研究所真正不容小觑的技术能力和雄厚实力。在我国半导体研究和产业蹒跚起步的漫长阶段里，13所是重要参与者也是重要推动者，为推动我国半导体技术发展做出过诸多不可磨灭的贡献。1956年中国第一只晶体管，1965年我国第一块实用化硅集成电路，1977年中国第一只砷化镓场效应晶体管等均在13所诞生。如今13所已是国内领先的，覆盖微电子、光电子、MEMS、高端传感器和集成微系统诸领域的大型综合性半导体研究所。

在美国参加IEDM会议时和诺贝尔奖获得者、碳纳米管发明人R.Smalley教授交流。

时至今日，蔡树军还在为自己当初的选择感到庆幸。就是在这样一个光荣的大家庭里，他不仅一步步实现了积累和成长，还获得了到外面世界汲取先进知识的大门钥匙。且最终在这里，他收获了梦想得以实践的归属感。至今，蔡树军还清晰地记得自己初到13所时选择的是材料专业，“因为当时觉得中国半导体不行是因为基础材料不行”，但天意弄人，因为材料专业的导师已经招满学生，所以所里推荐他转到器件专业，这一次“不顺遂”的经历恰好促成了蔡树军与半导体器件研究一生的情缘。而后来的经历也证明：他最终的选择是对的。

这要从蔡树军的家庭讲起——蔡树军的父亲是当地方圆几十里知名的农机机械工程师，在小蔡树军儿时的记忆中，满手沾满机油捣鼓机械零部件是最常见不过的场景。从小耳濡目染、参与实践，锻炼了他极佳的动手能力。这为他后来在半导体器件研究中能够做常人之不能做，埋下了坚实伏笔。

上研究生时，蔡树军从事的是第一代硅器件研究。与很多同辈不一样，他研究生时就因为出色的表现获得导师王长河副总工程师和赵丽华主任的准许，可以独立地在研究室动手开展实验。从器件结构设计、画版图，到氧化、扩散、光刻、溅射、刻蚀、测试等，全链条的工艺经师傅指点后，蔡树军很快都熟练掌握，基本自己独立完成。那时还没有商业二维器件模拟软件可以使用，为了验证自己的理论设计，蔡树军还用FORTRAN语言编写了二维器件模拟软件，“毕业论文因此增加了两张漂亮的3D电势分布图，很值！”可惜的是数千条语句的软件程序因为“打印出来会是很厚一沓、太费纸”，所以没有保存下来。“那段时间非常锻炼我的能力”，蔡树军回忆。他研究生期间完成的新型高压抗辐照器件，将抗辐照性能提升了60倍。

拥有自信和坚实技术能力的蔡树军研究生毕业的第一年就领衔室创新小组，第二年就主持完成星用高可靠器件的成果鉴定，成功替代了日本的相应产品，之后又主持完成国内首个S波段100瓦脉冲大功率器件的鉴定，成果获得原电子工业部科技进步奖二等奖等。那几年里，除了收获更多的底气和自信之外，也加深了蔡树军对国产设备的了解和多年后致力推动设备国产化的信心。“我们当时使用的工艺设备全部是国产，光刻机是13所自己研制的。国产设备不是不行，而是需要环境、时间和空间去提升。”

一步一步积累、沉淀，从学生到课题组长，再到主任，8年的时间里，蔡树军在13所完成了成长跨越。28岁不到，他就破格成为当时13所里最年轻的高级工程师。

在13所成长的几年时间里，蔡树军极强的动手能力和创造力开始得以展现。常常会有一些让人惊喜的小创造。当年，因为看到室里核算员每个月做财务报表、成本分摊等工作繁琐而且容易出错，他就用486机器、FOXBASE语言编写了一个计算机核算软件，最后在全所推广；针对手动砷预淀积工艺存在砷中毒危险的问题，他从仓库里找出一些旧的电控件，把手动改成了自动控制，既大大减小了砷中毒的危险，同时还提高了工艺重复性；针对光刻使用镊子经常造成硅片边缘崩边，影响光刻质量的问题，他用锉刀和钳子改造镊子成“鹰钩鼻”，避免了硅片正面崩边……这样工艺上的小改进、小发明，还有不少。在很多人眼里，蔡树军不仅善于发现问题，还善于找到解决问题的办法。

机会总是喜欢垂青有所准备的人。在快速积累成长的过程中，蔡树军迎来了升级跨越的好机会——

山水万程皆沉淀

20世纪90年代中期，蔡树军正是30岁意气风发的时候，经过在13所多年的沉淀，他刚刚成长为室主任。恰同学少年，风华正茂，在踌躇满志的他正打算带着实验室成员大干一场的时候，一次非常特别的机会摆在了他的面前——

彼时，我国第一代半导体研究还在如火如荼地进行，西方发达国家已经在着手第三代半导体氮化镓的研究。时任13所所长的赵正平和梁春广院士敏锐地捕捉到了这一点，决定派人前往美国学习取经。这次在别人看来非常难得的机会花落蔡树军。如果换作是别人，肯定高兴还来不及，蔡树军却犯了难，“当时正干得火热，一群人正等着你带领他们去完成定下的目标，我就这样跑去美国做半年的高级访问学者，屁股没坐热，啥也没学到就要回来，两头都耽误事情。”个性的蔡树军拒绝了这一机会。没想到，爱才惜才的所领导进一步为他单独申请到了一年的学习时间，这次，蔡树军没有理由拒绝了，肩负代表国家到世界先进半导体研究殿堂学习取经的重任，他踏上了征程。没想到，这一走就是8年时间。

1996年6月，蔡树军前往世界知名学府美国加州大学洛杉矶分校（UCLA）电子工程系做访问学者研究。UCLA是世界互联网的发源地，出过15名诺贝尔奖得主。作为全球排名前十左右的电子工程系其更是名师荟萃。蔡树军所在的导师课题组里，有来自世界各地诸如台积电、三星等优秀公司、机构里的优秀学者，诸多先进思想都在此聚集、碰撞。蔡树军就像是进到一个新鲜、充满活力的“不一样”的世界，到处都是他之前想都没想过的先进事物：用计算机控制的各种实验仪器、设备先进齐全的“纳米制造工艺中心”、精密快捷的加工车间……这些都带给他极大的震撼。在这样一个人才济济的地方，蔡树军倒也不输优势，一去第一个月就把一台课题组原本要丢弃的设备给弄活了。导师眼睛一亮，开始极力劝说他留下来攻读博士学位，还亲自到13所就此事沟通。从原来的访问变成攻读博士学位，原本答应访问完就回13所的蔡树军在此之前从没想过这个问题，在他陷入两难的时候，是13所原总工的话让他最终下决心留在美国继续学习。“前辈以她的经历告诉我，人生的路很长，学习的机会不是一直有，而为国家做贡献的机会一直有。”一番忠告如醍醐灌顶。幸得13所领导的理解支持，蔡树军最终以公派自费的名义开启了在美国的学生生涯。

作半导体行业协会大会报告

“在美国念博士很辛苦，不同学校有不同的规矩。UCLA规定除了主修专业外，还要辅修两个专业。我选择了主修半导体器件专业，辅修半导体材料专业和集成电路专业，共修了13门课。修满学分后是资格大考。3个小时开卷考试、3个小时闭卷考试再加3个小时答辩，都通过后才正式具备博士研究生资格，淘汰率有四分之一。”蔡树军很庆幸自己坚持了下来。至今，他还记得导师给予他的鼓励：Suffer from learning is a good thing！（因学习而辛苦是件好事！）

虽然学业重，但蔡树军始终没有忘记初心，积极参与当时国际热点氮化镓射频器件技术的攻关。从1996年到2002年，6年在UCLA的时间里，蔡树军表现超群，被指定为团队负责人，先后负责了多个总经费超过1000万美元的氮化镓研究项目，而他个人最终也以“Microwave Power AlGaN/GaN Heterojunction Field Effect Transistor for X-band Applications”（“氮化镓异质结微波功率器件在X波段的应用”）为题完成博士论文。这是国际上最早的氮化镓射频器件博士研究论文之一。论文系统研究了氮化镓材料性质，提出表面电荷补偿模型阐明电流崩塌机理，发明了GAMMA栅抑制逆压电效应，突破欧姆接触等关键技术瓶颈，解决世界性关键技术难题，发表了当时国际最高水平成果，获得了导师和项目高级官员的高度评价。研究成果充分揭示了氮化镓作为射频功率器件的巨大潜力，为后来他回国带领团队实现跨越发展打下坚实的理论和实践基础。

在美国6年的研究对蔡树军的影响是多方面的，除了学习居于前沿的先进技术知识和理念之外，他还对来自世界各地不同文化背景的人增进了了解，美国人的开朗、日本人的严谨、伊朗人的谨慎、俄罗斯人扎实的理论功底……几年接触，蔡树军学会了与不同性格背景的人沟通交流，建立了良好的人脉。尤其是导师对追求科学真理的热情，对追求完美结果的执着，至今，仍影响着蔡树军。“Quality is not an act，is a habit”（优秀品质是一种习惯,而不是一两次的表现!），导师的座右铭犹在耳畔，熏陶数年，已成了蔡树军一辈子的财富。2002年博士毕业之后，意犹未尽的蔡树军还选择到领域里的知名学府——香港科技大学继续学习和工作，成为电子工程系客座助理教授、博士生导师，英文讲授“半导体器件物理”和“集成电路制造”等课程。“只有当过老师，学过的知识才能进一步夯实。因为课堂上来自世界各地的学生什么问题都可能问，当老师的总不能被学生轻易难住”，蔡树军笑着说。两年的任教生涯，收获满满。离开后，学校改聘他为兼职副教授，并将岗位保留了十多年。

从1996年到2004年，出走13所历练的8年间，走过多个世界科学研究殿堂，蔡树军的经历正应了那句话：山水万程皆沉淀，归来不负少年时。

敢与天公试比高

2004年，羽翼丰满的蔡树军选择回到了阔别8年的13所。

对回来这件事情，蔡树军从没有过犹豫，“我承诺过我肯定要回来的”。没有谈任何条件，即使他在香港科技大学的工资已经是13所的几倍数，即使北上广有不少非常不错的单位都抛来橄榄枝……他还是毫不犹豫地选择回到原点。“对我来说，人生就像一本书，换换章节可以，但没有必要另起炉灶，这些年来，13所给了我太多，我还是就着13所这本书，继续往下翻吧。”蔡树军笑着说。而这次回归，他不仅与13所重续了前缘，还翻开了新的篇章。

正如前文所说，一代芯片一代装备。以第二代半导体砷化镓芯片为例，涉及上千个具体性能指标不同的产品，因为长期突破不了性能低、成品率低、一致性差、可靠性差等问题，严重制约了装备发展，改变落后局面迫在眉睫。

回国3个月了解情况后，蔡树军主动到当时亏损多年的砷化镓专业部兼任主任。“半导体曾经是13所的荣光，到我们这代更应该保持其荣光”。为改变落后局面，蔡树军兼任主任后大刀阔斧地主导了一系列提升工作。包括重新组建核心团队，技术上梳理出几十个问题，成立攻关小组，主导了一系列攻关。在提升精细T型栅成品率的攻关过程中，他发现了自掩蔽效应机理，提出解决方案，解决深亚微米T型栅可靠性与成品率低的问题；主导外延材料自主研发，大大加快了新产品的开发速度和抗风险能力；主导模型团队的培养和建设，缩短了产品设计周期；主导技术和人才引进，策划国际合作，培养和提升一大批工艺线核心骨干能力，等等。

工欲善其事，必先利其器。在世界级科研殿堂学习和工作多年，蔡树军对先进技术方法手段的推动作用有着清醒的认识，因此极力推进相关工作，包括主导工艺线SPC（统计工艺控制）在线系统的建设，通过引进消化吸收再创新，实现了先进的具有完全自主知识产权的SPC技术，该技术系统的开发，改变了关键工艺参数不可见、不可控的历史；主导了PCM（工艺控制监控图形）设计，将复杂的工艺质量转化成可以测量的参数；改变人工测试和统计数据的历史，示范搭建VEE控制系统，推动实现全系统测试数据的计算机自动采集，大幅提高工艺过程数据和产品数据的采集效率，确保了数据的准确性和实时性；主导了基于SPC大数据对产品性能与工艺参数进行关联度分析的图形化系统的建立，做到工艺改进有的放矢，已成为持续提升产品性能的基本手段。这些先进技术方法手段的应用，无疑在当时是一剂又一剂强心针，加快推进了半导体射频芯片的工程化进程。

一只木桶能装多少水，不取决于最高的木板有多高，而取决于最短的木板有多短。在国产芯片领域，芯片制造就是这样一根短板，蔡树军对此有深刻的感悟。

“做芯片是一件不容易的事情，需要几代人的传承接力。前有长辈一代人打下的基础，后有年轻人的快速成长，先后接替我的两位主任几年里都已成长为副所长。正因为有这些优秀的年轻人的接棒，才有了事业的传承，才有了今天我们射频高端芯片自主保障和与国际并跑的局面。”自始至终，蔡树军都不觉得功劳是自己的，而是团队智慧和努力的结晶。

在一系列举措的推动之下，13所最终建成了可与西方一流同类企业比拟的化合物射频芯片集成设计制造线，形成具有自主知识产权的标准先进工艺，性能、产能和交付周期达到国际一流水平，补齐了射频芯片的短板，彻底改变了射频芯片长期依赖进口的落后局面。

与卜爱民所长（右一）参加人民大会堂领奖

在蔡树军近40年的半导体研究生涯中，策划宽禁带半导体推进计划应该是浓重的一笔。作为计划指南主要编制者和项目负责人，凭借早年在境外研究氮化镓多年的坚实基础和技术领先优势，蔡树军先后负责了多个相关重大项目的实施，在进一步提升性能基础上，带领团队解决一系列工程化问题，成功实现国产射频芯片向国际最新一代的跨越，在高端射频芯片领域实现与国际并跑。相关成果蔡树军作为第一完成人获得2019年度国家科技进步奖一等奖，该奖也是中国电科成立以来，在基础元器件领域获得的首个国家科学技术进步奖一等奖。

我自纵横，敢与天公试比高。比美国晚启动8年，却实现与之并跑和局部超越。蔡树军和他所在的团队凭借对前沿技术敏锐的洞察力以及超强的领悟力、创新力、执行力，在中国深陷芯片危困之际，唱响了一曲非常难得的从设计到制造全链条的中国芯自主创新之歌，为中国芯的崛起吹响了振奋人心的号角。

唱响合作主旋律

“一个人走得快，一群人走得远。”从始至终，蔡树军都在强调团队的力量。事实上，参与大工程项目这些年，蔡树军口中所说的团队，早已经不再局限于13所，而是涵盖了各个领域的合作单位。这些年走来，他们给蔡树军留下太多的感动故事、感动瞬间。他们，是支撑蔡树军前行的最大力量。

蔡树军永远也不会忘记，自己风华正茂之时，是13所前辈和领导为他打开了通向世界科研殿堂学习进步的大门，回国后，正是在13所历任所长和同事们的支持和帮助之下，他才得以一步一步放心帷幄布局并最终践行。“早年不乏一些大刀阔斧的举措，例如把氮化镓器件技术整体从重点实验室转移到专业部，重新布局等，这些，都得到了他们的大力支持。”

在蔡树军看来，他所在的是一支有着优良传承和蓬勃朝气的奋进团队。“我们现任所长卜爱民常说一句话：‘做隐姓埋名的人，干惊天动地的事。’这也是他从老一辈人身上感悟到的精神。”而这，这也是蔡树军不断强调“要保持个人低调、少突出个人”，甚至有了成果也很少报奖的原因。蔡树军说起一件难忘的事：在获得国家科技进步奖一等奖后，他给当年的老领导汇报，老领导在得知他回国后一直在同一个岗位一干近20年后说：“我就喜欢你这样坐得住的，专注一件事，干成一件事！”得到老领导的肯定，蔡树军已是很满足。“其实，默默无闻，在13所奉献了一辈子的人有很多”。

除了肩负责任、无私奉献，科学布局、运筹帷幄；对前沿技术敏锐的洞察力，对先进科学技术方法的重视，对科学管理方法的践行……经年累月，这些13所前辈沉淀出的优秀品质在蔡树军等新一代13所人身上都得到淋漓尽致的展现、沉淀，并且升华、扩大。

早年，蔡树军从13所前辈身上获益良多，如今，他希望自己在这方面的感悟也能够惠及年轻一代。回国后他至今兼任重点实验室副主任。第二年他提出的“格物、致知、创新”的室训已刻在实验室的墙上，提醒着重点实验室的年轻骨干们，在努力探究科学真理的同时，不忘为社会创造现实价值。令人欣慰的是，重点实验室团队在蔡树军香港科大的博士生、现任常务副主任的带领下，在太赫兹、石墨烯、金刚石、氧化镓器件等前沿领域保持了国际第一梯队水平，为未来持续发展打下良好基础。其中太赫兹核心芯片关键技术及应用获2020年度中国电子学会发明奖一等奖。

当年接手专业部，上任第一周，蔡树军就明示了他的管理理念：“人尽其才，物尽其用”，并将其贴在了墙上。重组团队的时候，蔡树军主动公开个人邮箱，收到邮件上百份。为践行自己的管理理念，他基本与每个成员都谈过话，把有意愿换岗的都尽量安排在合适的岗位上。“每个人都有长处，我的首要职责就是发现人才，并尽快发挥所有员工的长处”，“其次就是如何用好现有的设备”。

当年，在缺人缺技术的困顿时刻，专业部曾经让一批退休人员返聘上岗，当年轻主力逐渐充足后，这些老员工也完成使命从容退出。“大家总有一种愿意为目标无私奉献的精神。”蔡树军觉得，这就是军工人身上最可爱的闪光点。“科技日新月异，我们需要把年轻人的能量发挥出来，待遇是一方面，擘画蓝图，激发他们对事业的热爱，把心稳住，事业才有延续的希望。”

稳定队伍，信任年轻人，把交接棒逐步交到他们手上的同时，蔡树军一方面作为课题负责人承担固态微波领域最大项目，一方面不忘在领域里发挥自己更大的作用。近些年里，他受邀作专题和特邀报告40余次，报告主题包括硅、砷化镓、氮化镓半导体器件与集成电路、宇航可靠性、5G、工业4.0、半导体设备国产化等诸多方面，联合发表的论文据中国知网统计下载总数已超过1万次。这些年，他立意解决行业里的主要矛盾，着手前沿布局，围绕早日实现核心芯片的自主可控，往来奔走，建言献策……为推动半导体行业发展做出了重要贡献。

与砷化镓专业部转型初期先进工作者合影

隐姓埋名舒壮志，长使儿女泪沾襟。蔡树军之所以能全心扑在工作上，离不开家人的支持。难忘当年女儿在兰州出生的时候，他正在所里开成果鉴定会，会后还惦记用户对新产品的使用情况，顺道又走访了西安客户，3天后才见到新出生的小宝宝。这样对家人的愧疚在蔡树军多年工作中出现过无数次。“在已经走过的人生旅途中，陪孩子太少是我最大的愧疚”。当愧疚成为常态，唯一声叹息，将所有对亲人的感恩埋在心间，用事业来回报。

或许是因为自己多年在外的深刻感悟，蔡树军对未来先进硅数字集成电路产业、中国目前芯片最大短板的发展方向，依然倡导“合作是主旋律”。“硅数字集成电路发展到今天，已经注定单一国家无法独立承担所有研发费用并垄断全产业链，尤其在3nm节点及其以后，技术难度、投资费用更大。”“面对如今外在形势变化造成的困境，我们不惹事也不怕事。我们要客观认识差距，过度乐观和过度悲观都是不可取的。一方面商用芯片领域要继续努力主动融入世界、拥抱世界；另一方面涉及国家安全的芯片必须坚决实施全面自主保障战略，一张蓝图绘到底。”“半导体技术作为人类共同的财富，应该有来自中国的更大贡献。期待中国创新，期待中国方案！”在蔡树军心中，半导体产业前景依然乐观。中国顺势而为，大有可为！