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“硅原子本来是一个一个地排列着。但是如果有氮原子掺进去了，或者有空位没有硅原子，就会形成一个空洞。一个硅原子没有，影响不大，如果50个、100个硅原子没有，就会形成一个大的空洞。”杨德仁介绍说，集成电路的一个芯片上要集成上亿个元器件，假如有一个缺陷在里面，就像高速公路上突然断了一截一样，导致集成电路失效。“我们是利用‘杂质’来控制缺陷。氮掺进去后，会把这些空洞吸引到它的身边来，让这些空洞逐渐变小。然后经过高温处理，这些小的空洞很快就消失了。这是一个辨证的方式，虽然空洞型缺陷的密度增加了，但是空洞尺寸变小了，变得更容易消除了，材料的质量当然会更好了。”
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杨德仁仔细地分析了“微氮直拉硅单晶的研究”早期受到国际冷遇的原因，一是国际上除了浙江大学以外还没有这个产业，他们即使想去研究也因为缺少样品，巧妇难为无米之炊。二是半导体材料已经是一个成熟的行业，直拉硅单晶在集成电路等微电子行业广泛使用，国外的一些大企业不希望再来改头换面。“但更多的因素还是他们很难轻易接受由中国人提出来的全新观念”。
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“我们是一群孤独的探索者。”杨德仁说，这次会议虽然应者寥寥，但还是有所收获。重要的是结识了日本东北大学金属材料研究所的角野浩二教授，他是硅材料方面的国际顶尖科学家。正是他的邀请，杨德仁第一次走出了国门。
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“角野浩二教授虽然对我们的研究成果不置可否，但他还是希望我们拿着样品到他的实验室做进一步的实验。这样，我就带着样品，在1993年4月到了他的实验室。”当时，国内能够达到液氦低温的设备还很少，角野浩二把自己实验室的设备腾出来，供杨德仁做实验。慢慢地，他对一些科学现象开始感兴趣，并主动和杨德仁一起讨论实验现象和实验结果。几个月过去后，他们的研究取得了成果。这些成果很快就发表在APL（美国《应用物理通讯》）和JAP（美国《应用物理杂志》）等国际著名的学术杂志上。
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随后，杨德仁又先后到德国、瑞典继续开展合作研究。“我们每发现一个掺氮直拉硅单晶的新特性时，人家可能不相信。我们继续做研究。再做，再做，再做。几篇高水平的文章写出来后，人家就慢慢觉得有意思，也会愿意跟你一起做了。”此时，国外一些同行开始关注掺氮研究，主动找过来要求合作，或者要求提供样品分工合作，共同发表文章。课题组和日本、美国、德国、瑞典等国的科学家共同发表的研究文章开始陆续引起国际广泛的关注。
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2000年前后，除浙江大学外，日本钢铁公司集团的硅材料公司也生产出了掺氮直拉硅单晶。这家企业当时的科技顾问就是从日本东北大学退休的角野浩二教授。“一般来说，这个国家的科学家感兴趣了，他们的工业界、产业界也会跟上来。”杨德仁说：“我们研究出来的这些特殊的优点被企业接受后，他们生产出来的产品更高档，比一般的产品卖得还要贵。”
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现在，世界上几乎所有重要的硅材料生产企业，包括最大的三家硅单晶公司：信越公司（SEH）、三菱住友（SUMCO）和瓦克公司，都在应用掺氮直拉硅单晶。杨德仁的课题组也先后承担了中俄、中波和中意等多项政府间的国际合作项目，以及国家自然科学基金重点项目、面上项目等。
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2003年12月，杨德仁带领课题组完成的“掺氮直拉硅单晶氮及相关缺陷的研究”项目，通过了由六位同行院士组成的专家组的鉴定。专家们认为，这个项目在国际上首先系统开展了掺氮直拉硅单晶相关缺陷与性能的基础理论研究，在科学上揭示了掺氮直拉硅单晶缺陷的结构、性质和作用，解决了掺氮直拉硅单晶在超大规模集成电路中应用的基本科学问题，并促进其在国际上广泛地应用，具有自主知识产权，在国际上处于领先的地位。2005年，“掺氮直拉硅单晶氮及相关缺陷的研究”项目获国家自然科学二等奖。
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和世界同步研究新型薄膜光电材料
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1988年以前，硅材料国家重点实验室在半导体薄膜、光子与光电子材料、纳米材料等领域的研究还是空白。1988年春，叶志镇博士毕业后留校工作。当时担任硅材料国家重点实验室学术带头人、浙江大学副校长的阙端麟教授亲自点将，让他从事微电子技术中关键材料——半导体薄膜的研究。
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半导体薄膜技术的优势在于材料可以人工设计，根据科技人员预先设计的原子排列结构制备材料，从而达到所需的性能。叶志镇所从事的半导体薄膜研究，就希望在此有所突破。
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1990年，叶志镇作为高级访问学者，到美国麻省理工学院（MIT）从事低温外延优质硅薄膜研究，这是一项事关下一代超大规模集成电路与微电子高技术发展的重大课题。凭借着优越的实验条件，经过半年的努力，他提前完成了一个先进的超高真空薄膜设备的研制。接着，他又将目标对准了低温生长硅外延及外延层的性能评价研究。在550℃下由硅烷热分解，成功地生长出高质量的硅外延层。
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1992年3月，归心似箭的叶志镇回到浙江大学。“自己能早一天回去，就能早一日把掌握的最新技术带回来，带动国内的硅材料研究。”回国后他被委以重任，出任硅材料国家重点实验室副主任。
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1994年，他与中科院沈阳科仪中心合作创建了国内第一台结合RHEED在线监控功能的超高真空（UHV）CVD外延系统，而后又建设了更先进的UHV／CVD-II型外延设备；他率先发展了高真空CVD低温外延整套先进的半导体薄膜新技术，打破了半导体技术领域的先进设备与技术被发达国家垄断的局面，现在该技术已在全国20多家单位推广应用。
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1999年，叶志镇又建立了首台高真空MOCVD外延设备，硅基GaN外延与器件研究取得了重要成果；2001年后，他又建立了具有我国自主知识产权的ZnO生长专用的等离子辅助的MOCVD外延系统、激光脉冲沉积（PLD）和磁控溅射装置等多台先进的薄膜设备，为半导体薄膜研究与发展建立了具有先进水平的研究平台，在硅基薄膜生长与光电器件研制上做出了特色成果。
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从2000年开始，叶志镇带领课题组在国家“973”计划、国家自然科学基金重点项目等资助下，开展“ZnO基材料生长、p型掺杂与LED基础性研究”。
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“目前在短波长LED领域，GaN的开发应用占主导地位，并形成了很大产业。但Ga稀有且昂贵，而且日本垄断了GaN发光器件相关的大部分关键技术。”叶志镇介绍说：“ZnO是一种直接宽带隙半导体材料，室温下能产生高效的近紫外发光，有望成为一种理想的短波长发光器件材料，因而受到全世界相关领域科学家的关注，成为一个前沿课题和研究热点，得到众多发达国家政府和企业的重视和支持。”
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“我们是在和世界赛跑。”叶志镇说，浙江大学从1988年开始ZnO的研究，是国际上最早开展ZnO研究的单位之一。“ZnO要实现光电应用，必须实现高质量p型ZnO的可控掺杂。这是制备ZnO-LED和LDs的重要基础，也是一个国际性的科学难题。”
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叶志镇带领课题组在ZnO的p型掺杂方法及其机理、高质量ZnO基材料生长及其机制和同质ZnO的pn结研制及室温电致发光实现等关键问题开展研究，不断取得新发现、新突破。
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“搞研究并不是想像的很枯燥，或者是很浪漫。搞研究最大的好处是不断有新的现象发现，很有乐趣。”叶志镇回忆说，“2003年，我们在研究中发现了随温度生长Al-N共掺的p型ZnO导电类型n与p互变的新现象。比如说，380℃是n型，450℃是p型，到560℃又是n型，到800℃又是p型……很奇怪。”叶志镇说，这个结果出来以后，受到广泛的质疑，投寄的3篇论文全被退回。“他们认为这是瞎扯么，怎么会有这样的现象？！”
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事实是客观存在的，叶志镇相信自己的研究。“可能是我们没有讲透彻，接下来我们就进一步地研究。”不久，他建立起N、H共激活理论，描述了导电类型互变的机理，也为实现Al-N共掺ZnO薄膜n型与p型的实时可控生长提供理论指导。成果在2年后的2005年5月，刊登在国际公认权威杂志美国《应用物理通讯》上，被正面引用10多次。
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但有很多研究成果能立竿见影。“我们有3篇论文一发出，当天就被材料领域国际一流杂志接受发表。”叶志镇说，“因为研究成果创新明显，这些期刊杂志的主编看到了，他认可了这个创新，就不用评审直接录用了。”
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2005年，叶志镇研制成功同质ZnO发光二极管原型器件，在国际上第二个实现室温电注入发光，但具有更可行的工业化背景，受到国际业内的认可和关注，他们认为：“这是ZnO向器件迈出了突破性的一步。”2006年，“ZnO基材料生长、p型掺杂与LED基础性研究”获浙江省科技（自然科学）一等奖。
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2006年12月，一年一度的国际权威的材料盛会（MRS）在美国波士顿召开，作为国内材料领域ZnO方向的唯一代表，叶志镇应邀在ZnO及相关材料的分会作特邀报告。在这个近万人的国际材料盛会上，他介绍了ZnO的p型掺杂和LED的研制情况。受邀作特邀报告的还有美国、日本和德国等的几位国际权威专家。近年来，他共在11次国际学术大会上作7次邀请报告和9次大会报告，在国际同行中产生重要影响。
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开拓有机半导体研究的新领域
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