接下来的几天,林远几乎住在了半导体所。方明华给他腾出了一张实验台,让他跟着自己的学生一起做器件仿真。林远不懂半导体工艺,但他懂量子通信的需求——他知道探测器在系统里要干什么,知道哪些参数是关键,哪些可以妥协。方明华懂器件,懂工艺,知道什么样的结构能在现有的生产线上实现。
两个人一个懂“要什么”,一个懂“能做什么”,配合起来意外地默契。
仿真工作进行了两周。林远每天坐在那台老旧的电脑前面,用方明华教他的软件,一遍一遍地跑器件的电场分布、雪崩增益、暗计数率。参数改一点,重新跑一遍;再改一点,再跑一遍。电脑的速度很慢,一次完整的仿真要跑四五个小时,他就利用这段时间看文献、写笔记、跟方明华讨论下一版结构怎么改。
有时候跑到一半,电脑死机了。他就坐在那里,等着它重启,然后从头再来。
第七天的时候,他们跑出了一组看起来不错的结果。暗计数率在仿真环境下降到了200赫兹左右,虽然离国外的100赫兹还有差距,但比民用器件的几千赫兹已经好了很多。
“差不多了。”方明华看着仿真结果,“可以试着做一次流片了。”
“成功率有多少?”林远问。
方明华想了想:“三成。”
“三成?”
“这是最乐观的估计。”方明华摘下眼镜,揉了揉鼻梁,“仿真归仿真,实际工艺中变量太多了。温度、气氛、材料的微小差异,都会影响最终结果。三成,已经是看在结构改动不大的份上。”
林远沉默了。三成的成功率,意味着很可能要反复多次,意味着时间、经费、人力都要成倍地投入。但如果不走这条路,连这三成的机会都没有。
“那就试试。”他说。
方明华看了他一眼,点了点头。
接下来的一个月,方明华带着他的学生开始做版图设计和工艺准备。林远插不上手,就每天去实验室待着,看他们怎么操作光刻机、怎么控制扩散炉的温度、怎么用探针台测试器件的性能。他不懂工艺,但他想学。
方明华的学生里有个叫陈晓明的,是个沉默寡言的年轻人,比林远大两岁,已经在半导体所读了三年硕士。他对林远的到来一开始有些抵触——一个学物理的,跑来半导体所掺和什么?但后来发现林远是真的想学,而且学得很快,态度就慢慢变了。
“你看,”陈晓明指着探针台上的晶圆,“这就是我们刚做出来的测试结构。每一颗小方块就是一个Apd,上面有金属电极。用探针扎上去,加电压,就能测它的暗电流和增益。”
林远凑过去,透过显微镜看着那片晶圆。一个个微小的器件排列得整整齐齐,像是稻田里的秧苗。他想起了材料所实验室里那台用胶带固定光学元件的探测设备,再看看眼前这片晶圆上精致的结构,忽然有一种奇妙的感觉——从材料到器件,从器件到系统,每一个环节都是环环相扣的。任何一个环节出了问题,整个链条就会断裂。
“想什么呢?”陈晓明问。
“想……”林远犹豫了一下,“想这些东西最后变成能用的探测器,中间还有多少坎。”
“多了去了。”陈晓明笑了笑,“光是把晶圆上的管芯切割下来,封装好,保证不出问题,就是一门手艺。国内的封装水平你也知道,稍微高频一点的器件,封装完性能就掉一大截。”
“那怎么办?”
“怎么办?一遍一遍试呗。”陈晓明说这话的时候,语气很平淡,像是在说一件再正常不过的事情。
林远看着他,忽然觉得,这种“一遍一遍试”的精神,可能才是这个国家最宝贵的东西。
八月底的一个下午,方明华从净化间里出来,手里拿着一个晶圆盒,脸上的表情有些复杂。
“流片结果出来了。”他说。
林远的心跳猛地加速了。他跟着方明华走进测试间,看着他把晶圆放到探针台上,接好测试电路,打开电源。
示波器上出现了波形。
这一次,波形不是乱窜的。它稳定、干净,在应有的位置上形成一个清晰的峰。
“暗计数率……”方明华盯着屏幕上的数字,声音有些发紧,“180赫兹。”
林远愣住了。
180赫兹。比仿真的200赫兹还好一点,比民用器件的几千赫兹好了整整一个数量级。
“成了?”他问,声音有些发抖。
方明华没有回答。他反复测了好几个管芯,每一个的暗计数率都在150到200赫兹之间。测完之后,他摘下眼镜,长长地出了一口气。
“成了。”他说。
那天晚上,方明华破天荒地请大家吃了一顿饭。就在半导体所旁边的一家小馆子,四个人——方明华、陈晓明、张海洋、林远——围着一张油腻腻的桌子,要了几瓶啤酒,几个炒菜。
“说实话,”方明华端起酒杯,“一开始我是不太相信的。一个二十出头的年轻人,没做过半导体,说要自己设计Apd,我觉得这是天方夜谭。”
他喝了一口酒,看着林远:“但你那个思路——不改材料,只改结构——确实是对的。我们太容易盯着国外的水平看,觉得人家能做到什么,我们就必须追什么。但有时候,换一个角度,用现有的条件做出最合适的东西,可能才是正确的路。”
林远端着酒杯,不知道该说什么。他想说“这不是我一个人的功劳”,想说“方老师您和陈晓明才是真正干活的人”,但这些话到了嘴边,又觉得太客套了。
最后他只说了一句:“谢谢方老师。”
方明华摆了摆手:“谢什么。你们量子通信那个东西,如果能做成,也是替国家争光。我们搞半导体的,能出一点力,应该的。”
吃完饭出来,北京的夏夜闷热依旧。林远骑着自行车往回走,路过中关村的那条大街,路两边的研究所都亮着灯。物理所、化学所、计算所、微电子所——每一栋楼里,都有人在加班,在实验台前、在电脑前面、在净化间里,一遍一遍地试,一点一点地往前挪。
他突然想起了那天在档案室里看到的那些资料。1975年的“争气芯”,那群人也是这样,在极其简陋的条件下,硬是做出了中国第一块大规模集成电路。二十年过去了,条件好了很多,但这种“一遍一遍试”的精神,一点都没有变。
回到宿舍已经快十一点了。他没有洗澡,直接坐到桌子前面,开始写报告。
他在报告里详细记录了这两个月来在半导体所的工作——仿真的过程、流片的结果、测试的数据。写到最后,他写了这样一段话:
“专用雪崩光电二极管的初步研制成功,解决了单光子探测器的核心器件问题。但这只是第一步。接下来,我们需要基于这个器件,重新设计整个探测电路,做出真正可用的单光子探测器。然后,还有单光子源、量子态编码、光纤传输……每一道坎,都要这样一步一步地迈过去。”
“这条路很长。但我们已经迈出了第一步。”
写完报告,已经是凌晨一点了。他把报告装进信封,在上面写下“秦念老师收”,然后关灯躺到床上。
窗外,北京的夜空被城市的灯光映得发红,看不到几颗星星。但林远知道,那些星星就在那里,只是被遮住了而已。
就像很多事情的答案一样。
它们在那里,只是需要时间去找到。
第二天早上,他把报告送到了秦念的办公室。秦念看完之后,沉默了很久。
“180赫兹。”她说,“这个数字,够用了吗?”
“暂时够用了。”林远说,“国外最好的产品能做到100赫兹以下,但180赫兹已经可以让系统工作了。后续可以继续优化,先把路走通再说。”
秦念点了点头:“那就继续往下走。下一道坎是什么?”
“单光子源。”林远说,“探测器能‘看’到光子了,但我们还需要能‘发出’单个光子的源。这个……可能比探测器更难。”
秦念看着他,目光里有审视,也有期待。
“那就去啃。”她说。