IOPLY-长三角物理研究中心

科学家工作室

陈弘/郇庆科学家工作室

中国科学院物理研究所是一家主要研究凝聚态物理领域的科研机构，分设了凝聚态物理、光物理、原子分子物理、软物质与生物物理、凝聚态理论、计算物理、清洁能源等多个研究方向。物理所新型化合物半导体材料和物性研究课题组在GaN基材料、GaAs基材料和SiGe基材料的生长和物性研究方面取得了丰硕的成果，积累了丰富的经验，并且在新型LED器件和柔性太阳能电池技术等领域也取得了重要成果，主持了多项国家级和中科院级的科研项目，培养了多名半导体材料与器件领域的优秀博士研究生，为该领域提供了大批专业人才。

科学家工作室陈弘研究员作为首席科学家，联合郇庆研究员带领其科研团队入驻长三角研究中心，建立起以本工作室为中心，连接中科院物理所、中科院物理所松山湖材料实验室的大三角框架，人员构成将包括物理所双聘人员、工作室全职人员、博士后。依靠中国科学院物理研究所提供的强大的科研测试分析平台、中试产业化试验平台及长三角研究中心提供的前沿咨询和投资服务支撑，以发展高效薄膜太阳能电池产业为目标，通过研究与掌握高效薄膜太阳能电池系统技术，建立与完善外延端、芯片端、组件端、市场端的体系布局。以开发量产型PECVD专有技术为目标，抓紧自有知识产权的积累。

研究领域

· 高效率柔性太阳电池研发；

· 电池材料与器件表征；

· 扫描隧道/探针显微术

· 有机功能分子自组装及单分子物理化学性质

· 物理科研仪器设备的自主研发

· 表面物理

研究成果：文章、专利

1.超高真空变温扫描隧道显微镜系统：在北京市科委首都科技条件平台重大科学仪器开发培育项目和科技部国家重大科学仪器设备开发专项资助下，设计搭建了1套基于“甲壳虫”型扫描探头的变温扫描隧道系统，其中整个真空系统的设计、扫描探头等核心部件、电子控制单元等均为自主研制开发。系统研制完成后，已用于多个课题的科学研究，并在有机分子和金属团簇在金属表面的生长【 Phys. Chem. C 119, 8208-8212(2015); Chinese Physics B, 24 (7) 076802(2015)】、有机分子在单晶表面的聚合反应【JOURNAL OF PHYSICAL CHEMISTRY C , 2017, 121(39): 21650-21657 】、固态碳源制备石墨烯【APPLIED PHYSICS LETTERS 110, 213107(2017)】、分子内部质子遂穿过程的观测【accepted by JOURNAL OF PHYSICAL CHEMISTRY LETTERS 】等课题研究上取得了多项成果。

2.新型光学-扫描探针显微镜及分子束外延联合系统：在科技部国家重大科学仪器设备开发专项资助下，作为技术负责人核心参与研制了新型光学-扫描探针显微镜及分子束外延联合系统4套。该系统具有光信号到达遂穿结的引入和引出通道，在传统STM系统电学激发电学探测的基础上，可以进一步实现光学激发电学探测、电学激发光学探测以及光学激发光学探测，很大程度上拓展了传统STM系统的研究应用领域。此外，还将qplus AFM功能以及分子束外延制备功能等集成在该系统中，进一步完善和丰富其功能。目前，全部4套系统已交付用户单位开展多个领域的研究工作。

3.高通量连续组分外延薄膜制备及原位局域电子态表征系统：在“中国科学院科研装备研制项目”支持下，与物理所超导实验室金魁/袁洁团队共同完成了该系统的研发。该系统为国际上首台具有高通量特色并同时具备薄膜生长和表征的尖端仪器，也是材料基因组研究平台的重要技术工作基础。由于采用了全新的具有自主知识产权的连续组分外延薄膜制备核心技术（已申请专利），从原理上解决了现有技术的缺陷和不足。原位局域电子态表征部分也采用了多项原创新技术，实现了样品的大范围移动和高精度定位（分辨率优于1μm），为其在超导薄膜材料的制备及相图研究奠定良好基础。目前该系统已开展超导薄膜的性质研究，成功制备出多批次高质量超导薄膜。该系统详细介绍已发表在《科学仪器评论》杂志上【Review of Scientific Instruments, 2020, 91(1): 013904-1-0.1904-9】。

4.探针扫描隧道显微镜系统的全面升级改造：主持升级改造了一台商业化超高真空四探针扫描隧道显微镜系统。针对其分辨率低，温度漂移大、仅冷却样品且最低温度较高等问题和设计缺陷，对该系统进行了彻底的改造，增加和改进了弹簧减振和磁阻尼机构、双层热屏蔽罩和热连接通道、扫描机构等。改造完成后四个探针均可获得清晰的原子分辨图像，并且在降温速度、最低温度、热漂移等性能上都有了大幅提升。相关修改过程已发表在《科学仪器评论》杂志上【Review of Scientific Instruments, 88(6):063704, 2017】。并在二维材料输运性质的研究取得科研成果（【Chinese Physics B, 26 (6) 066801, 2017】、【Nano. Lett. 2017, 17: 5291】、【2D MATERIALS, 2019 10, 6(4)：045033】、【2D MATERIALS, 2019 10, 6(4)：045050】）。

Die, J., et al. (2019). "Characterization and optimization of AlN nucleation layer for nonpolar a-plane GaN grown on r-plane sapphire substrate." Superlattices and Microstructures 130: 215-220.

5.研究团队一直致力于半导体材料生长和器件的研究工作，从80年代与沈科仪及半导体所自主研制了国内第一台分子束外延（MBE）设备开始，初步开展了GaAs基和InP基微电子和光电子材料及器件的研制工作；90年代后，引进了先进的III-V族材料的MBE设备，持续在微波材料及红外探测器材料进行了研究，取得了很好的研究成果。经过近几十年的努力，该研究团队拥有新型MBE和MOCVD设备，具备外延材料的综合分析能力，能够制备GaAs基、InP基、GaN 基的微电子、光电子各类异质结材料，拥有化合物半导体外延材料研究及开发与器件制备的综合实力。在原“973”、“863”、科学院创新计划、国家重点研发计划以及产业界的支持下，开展了微波功率器件、红外探测器、太阳能电池的研究。由于引进新的运行机制，物理所化合物半导体实验室十分重视科研成果的转化，将对新型化合物半导体器件的研制及推广起积极作用。曾获得国家科学技术进步二等及三等奖各两次，中科院科学技术进步一等及三等奖各三次。其中量子阱红外探测器获得原科技进步一等奖。在产品开发方面，2001年为上海蓝宝光电提供了蓝绿光发光二极管的技术支持；2002年为圣科佳电子有限公司提供III-V族材料研究与开发提供技术支持；2008年为天津中环新光科技有限公司提供技术支持。

6.固态照明用发光二极管研发：利用特殊的单层InGaN量子阱与量子点制备技术，实现蓝光和黄光两个波长的混合，在国际上首次实现了单芯片的白光发光二极管，并就其研究结果在Applied Physics Letters等国际著名杂志上发表多篇文章【Applied Physics Letters, 91:161912, 2007; Applied Physics Letters, 94: 111913, 2009; Advanced Materials 21 (45) : 4641, 2009】，获国际知名杂志Compound Semiconductor专文介绍。在湿法刻蚀蓝宝石以及基于其上的GaN基材料的外延具有完全自主的知识产权，利用创新的湿法腐蚀技术制备蓝宝石图形衬底，横向外延制备低位错密度GaN基材料，申请并获得了国家专利授权；基于湿法腐蚀蓝宝石图形衬底的蓝光LED功率提高了40%，紫光LED功率提高了60%；【Energy & Environmental Science 4 (8): 2625, 2011】。基于LED器件中载流子注入不平衡的特点，设计复合多量子阱结构，首次研发出波长位于”green gap”的高效率560 nm黄绿光发光二极管【Scientific Reports 5: 10883, 2015】。发展了图形化r面蓝宝石衬底上直接外延非极性a面GaN的方法【CrystEngComm 2019, 21, 2747; Superlattices and Microstructures 2019, 130, 215; CrystEngComm 2019, 21, 5124】，材料位错密度降至目前国际最好水平。

7. 强电场下半导体材料中光转电过程的远离平衡态物理: 半导体的光电探测器和太阳能电池是两类十分重要的光转电器件，已广泛应用在国民经济和军事科技的各个领域，他们的核心都是半导体吸收光子产生光电流的过程，包括光进入、光吸收和载流子输运。本团队首次在多个材料体系的光电转换实验中观察到强内建电场作用下光生载流子远离平衡态对于提升探测器灵敏度的启发性效应，在pn结作用下大于85%的光生载流子发生量子限制解除而形成光电流，同时推算得出的光吸收系数数量级增强。该项研究成果证明了强电场作用下半导体材料中电子体系可能具有不可忽略的具有主导光电转换功能的远离平衡态效应，为实现新原理光转电器件提供了依据，可从根本上突破传统器件的约束提升器件性能。

8. 光电探测器件：研究了保护环对1550nm InGaAs基APD性能的影响，优化研制获得了光敏元直径为50μm、暗电流密度为nA量级、Vbr为35V的APD的器件，并阐明了相关物理机制；研究了InGaAs基PIN光电探测器焦平面中像元中心距对器件暗电流等电串扰的影响，优化结构设计参数后，研制出像元中心距10μm，暗电流密度为nA/cm2的高性能面阵短波红外探测器，并阐述了相关物理机理与模型；针对实现全硅基探测器1.1μm以上的红外探测难题，提出了利用纳米厚度Au薄膜与ITO复合结构，实现了低暗电流密度的硅基短波红外光电探测器制备，为光通信中全Si基光电探测单片集成提供重要技术支撑【Photonics Research, 8: 1662, 2020】。

9. 太阳能电池：采用电镀衬底转移方法制备出柔性Cu衬底上InGaP/GaAs双结薄膜太阳能电池，衬底转移后能达到AM1.5下29.09%的效率，薄膜电池在不同弯曲状态下也具有很好的稳定性与可靠性，证明该方法在制备柔性薄膜光电器件中具有很好的应用潜力【Solar Energy 174 (2018) 703】。

	陈弘 1984年西安交通大学电子工程系半导体器件专业毕业，获得学士学位，1992年中国科学院物理研究所获得博士学位，1992年至今从事分子束外延和MOCVD半导体材料生长及结构与物性研究。1996年～1997年香港科技大学访问工作，从事电镜研究。在国外主要刊物上发表论文70多篇，申请专利20多项。现为物理所新型化合物半导体材料和物性研究课题组长。主要的研究方向为GaN基材料的MOCVD生长及物性研究，GaN基材料在发光二极管、激光器、紫外探测器、微电子方面的应用研究，GaAs基、SiGe材料的MBE材料生长和物性研究。
	郇庆中国科学院物理研究所技术部电子学仪器部负责人/组长，博士生导师,山东大学物理学学士,中国科学院物理研究所博士学位,美国加州大学Irvine分校访问学者/联合培养博士,美国加州大学Irvine分校博士后研究员。主要研究方向为扫描隧道/探针显微术；表面物理；有机功能分子自组装及单分子物理化学性质；物理科研仪器设备的自主研发。于2011年6月正式入职中国科学院物理研究所技术部电子学仪器部。致力于高端科研仪器装备的自主研制和开发，带领团队从共性技术和核心关键部件着手，开发包括各类控制器、精密放大器、束源炉、低温恒温器等在内的一批核心关键部件，并先后主持或核心参与研制搭建了各类真空系统十余台套，包括扫描探针显微镜系统、分子束外延系统、激光分子束外延系统、原子层沉积系统等。已在RSI、JPC、APL、Nat. Chem.、Small、2D Materials、Nano Lett.等期刊上发表SCI论文30余篇。 2012年入选中科院“引进杰出技术人才”；2017年度中科院“关键技术人才”；2018年获得中国仪器仪表学会“朱良漪青年创新奖”；2018年度获得中国真空学会“中国真空科技青年创新奖”；2021年入选基金委“国家杰出青年科学基金”。至今已申请专利30项，其中中国发明专利23项，实用新型专利1项，国际发明专利6项。已授权中国专利17项，国际专利5项。
	贾海强 1991年西安交通大学电子工程系半导体器件专业毕业，获得学士学位，1994年电子工业部第十三研究所微电子专业毕业，获得硕士学位。2001年中国科学院物理研究所凝聚态物理专业毕业，获得博士学位。2001年至今中国科学院物理研究所工作，从事化合物半导体材料与器件研究。在国外主要刊物上发表论文30多篇，申请专利10多项。现为中国科学院物理研究所研究员，在E03组工作。主要研究方向为GaAs基、GaN基发光二极管外延材料MOCVD生长技术研究和新型LED器件工艺研究。
	江洋 2009年于清华大学获得工学博士学位，后在中国科学院物理研究所从事科研工作。主要研究领域为氮化物半导体材料的外延生长、物性评测和器件应用，包括GaN基光电子材料器件、GaN HEMT材料与器件、非极性面与N极性面GaN材料等。工作期间主持和参与了“十二五”国家高技术研究发展计划（863计划）课题“无荧光粉LED外延生长技术研究”，“基于图形衬底的高效白光LED外延芯片产业化制备技术研究”，“面向下一代移动通信的GaN基射频器件关键技术及系统应用”等国家项目，在包括Energy & Environmental Science和Scientific Reports等国际期刊上发表论文七十余篇。
	杜春花 2011-2014中国科学院物理研究所博士，2015-2018中国科学院北京纳米能源与系统研究所博士后、助理研究员。2018年入选中国科学院物理研究所“小百人”人才计划，副研究员。主持多项国家自然科学基金和军委科技委项目。主要研究方向GaN、GaAs基光电器件、功率器件和Si基太阳能电池器件。作为第一作者和通讯作者在Materials Horizons、ACS Nano、Small、Applied Physics Letter、Applied Physics Express、Optical Express、Vaccum等半导体领域权威期刊上发表多篇文章。研究方向：晶硅高效太阳能电池技术开发和产业化；宽带隙窗口层材料；介质层/收集层叠层材料和结构设计；大尺寸低成本HIT太阳电池。
	张宇超太阳能电池技术平台工程师，2003-2010北京航空航天大学学士、硕士，曾就职于中国电子科技集团第十三研究所、松山湖材料实验室微加工与器件子平台、北京京东方传感科技有限公司。从事半导体材料及器件工艺研发10余年，曾参与多项国家和省部级科技项目，并主持完成一项省级项目。熟悉各类半导体材料的湿法腐蚀工艺，以及基材减薄、抛光、切割、CMP等芯片后道加工技术，熟悉GaN基、GaAs基光电子器件制备工艺流程。研究方向：晶硅高效太阳能电池技术研发和测试并推动产业落地。
	马瑞松中国科学院物理研究所副主任工程师，中国科学院物理研究所博士毕业。2017.12至2019.12于中国科学院物理研究所纳米物理与器件实验室开展博士后研究工作，研究方向为基于四探针STM的石墨烯输运性质研究。2019.04至2019.07访问美国Janis Research公司，开展稀释制冷机方面相关合作研究。目前主持国家自然科学基金青年项目、中科院物理所仪器研制项目各1项，参与中科院关键技术团队项目、国家重大科研仪器研制项目、怀柔科学城成果落地项目各一项。在Rev. Sci. Instrum.、Nature Phys.、Nano lett.、2D Materials、Nanoscale 等杂志发表SCI文章20余篇。
	刘利中国科学院物理研究所副主任工程师，2013年中国科学院“引进杰出技术人才”。有近二十年嵌入式系统开发经验；熟悉多种操作系统和CPU架构，擅长复杂电路和大型软件系统的设计开发，拥有美国项目管理协会（PMI）颁发的专业项目管理认证。现主要从事高端科研仪器的电路和软件设计开发。主要成果包括精密电流放大器，电子束蒸发源控制器，扫描探针显微镜控制器等，申请发明专利四项。
	竺晓山中国科学院物理研究所高级工程师，毕业于中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,主要从事实验仪器设备研发、电子电路硬件设计和计算机软硬件应用与开发。曾作为技术骨干参与过中国科技部的国家重大科学仪器设备开发专项项目、北京市科委的重大科学仪器开发培育项目、中科院科研装备研制项目和中科院物理所仪器设备技术创新项目等仪器研发项目。多年以来,为物理所各实验室和研究组研发和维护各类仪器和设备，积累了丰富的技术和经验。
	王肃珂中国科学院物理研究所电子工程师。2013年硕士毕业，研究方向为电力电子技术。2017年取得北京市中级电子工程师资格。擅长模拟和数字电路设计，PLC控制，FPGA，labview和MCU开发和测试，拥有设备系统电气开发经验和量产产品开发经验，及多年解决各种现场问题的经历。参与研制多台PVD设备，发布有专利三篇。现主要负责SPM控制器的研发与设计。
	耿文义中国科学院物理研究所高级技师，专业方向为机械工程及自动化。参加工作30年，一直致力于在基础工作的前线，能熟练操作车床、铣床和钻床等设备，并能熟练使用solidworks制图软件。
	胡小涛 2016年于北京科技大学材料科学与工程专业毕业，获得学士学位，2022年于中国科学院物理研究所凝聚态物理专业清洁能源方向毕业，主要从事GaN基化合物半导体材料与器件方面的研究，获得博士学位。