壘好“磚石”，芯片技術(shù)砥礪奮進正當(dāng)時

梁佳歡

日常生活中，當(dāng)我們看到美麗的風(fēng)景，或者面對一桌子美食時，總會情不自禁拿起手機，拍下照片，定格這美妙的瞬間。然而怎樣才能讓照片更清晰，讓色彩環(huán)境看上去更美好？這就涉及光電的一個重要研究方向——圖像傳感器。

“圖像傳感器相關(guān)的技術(shù)領(lǐng)域主要被日本和美國一些芯片公司所壟斷，國內(nèi)的產(chǎn)業(yè)技術(shù)其實還需要努力。”日前，大連理工大學(xué)機械工程學(xué)院副研究員江誠鳴在接受記者采訪時說。他多年來致力于研究高性能數(shù)字圖像傳感器芯片技術(shù)、集成化光子晶體管芯片技術(shù)和智能制造人機交互技術(shù)，在人們?nèi)粘Ｊ褂玫氖謾C、相機等物品中有廣泛的應(yīng)用。

對于這些擁有核心技術(shù)的芯片的自主研發(fā)工作，江誠鳴認(rèn)為一步一步壘好“磚石”任重道遠。

嚴(yán)謹(jǐn)認(rèn)真，求學(xué)路上抹不去的烙印

2006年，江誠鳴以優(yōu)異的成績考入西北大學(xué)，報考專業(yè)志愿的時候，他毫不猶豫地選擇了物理學(xué)專業(yè)。

江誠鳴坦言，當(dāng)時他也不懂這個專業(yè)未來的發(fā)展方向。選擇這個專業(yè)的原因很單純，就是因為高中時自己的物理學(xué)得比較好，并且對物理學(xué)挺感興趣。

大學(xué)四年的生活在江誠鳴身上烙下了嚴(yán)謹(jǐn)認(rèn)真的印跡?！霸谖锢韺W(xué)這個方向，大家的學(xué)習(xí)態(tài)度以及整體學(xué)習(xí)氛圍都是比較嚴(yán)謹(jǐn)、認(rèn)真的。這對我的影響非常重要，也為日后在學(xué)術(shù)上的發(fā)展，打下了堅實的基礎(chǔ)?！?/p>

從2010年開始到美國阿拉巴馬大學(xué)求學(xué)，到2016年獲得博士學(xué)位，江誠鳴在美國工作生活了6年。經(jīng)過這段時間的鍛造，江誠鳴在學(xué)術(shù)上走向成熟。

剛到美國求學(xué)的時候，江誠鳴依舊選擇攻讀物理學(xué)的博士學(xué)位，并且得到了全額獎學(xué)金的資助?！暗窃诠プx的過程中，我發(fā)現(xiàn)物理學(xué)理論性比較強、實踐性比較少?！苯\鳴說，他通過自我評估，發(fā)現(xiàn)自己對科學(xué)實驗更感興趣。恰好當(dāng)時材料學(xué)方向缺一個博士，順應(yīng)這個契機，江誠鳴轉(zhuǎn)到了材料科學(xué)專業(yè)。

“我在美國的導(dǎo)師——宋金會教授，也是大連理工大學(xué)納米光電研究所所長。他對我的影響很大，不管在科研上，還是在工作中和生活中，他都給我提供了很多幫助。在我遇到困難的時候，他總是以過來人的身份對我進行指導(dǎo)?！苯\鳴說，導(dǎo)師就是他的引路人。

2016年，江誠鳴一畢業(yè)就回國了。當(dāng)時，宋金會教授已將整個團隊遷回國內(nèi)，加入大連理工大學(xué)，江誠鳴也順理成章地來到了大連理工大學(xué)，開始幫團隊組建實驗室。“畢業(yè)時也想過留在美國，但后來發(fā)現(xiàn)國內(nèi)的發(fā)展對我更有吸引力。畢竟作為一個中國人，還是想回到自己的祖國做貢獻，這是更值得，也更感光榮的事。”雖然在美國工作會有更好的物質(zhì)條件去享受，但在江誠鳴看來，心靈上的富足更重要。

在回國后的去向問題上，還有一段小插曲。當(dāng)時，江蘇的一所高校也向江誠鳴遞出了橄欖枝，這對于身為江蘇人的他來說，還是很有誘惑力的。但最終他還是選擇了大連理工大學(xué)?！半m然有其他offer（錄用通知），但是從團隊整體性的角度出發(fā)，以及未來發(fā)展前景等方面考慮，我覺得大連理工大學(xué)的平臺可能更適合我，讓我能夠獲得更好的平臺支撐，也讓我回國的抱負(fù)和理想更容易實現(xiàn)?！?/p>

大連理工大學(xué)是教育部直屬全國重點大學(xué)，也是國家原“211工程”和“985工程”重點建設(shè)高校。2001年以來，學(xué)校共獲國家科技獎勵47項、省部級科技獎勵490項。組建富于拼搏和創(chuàng)新精神的研究小組，獨立開展研究工作，是顯著成績背后的訣竅。此外，學(xué)校在各類人才計劃上予以重點支持，提供所需的人力、物力等支持。

江誠鳴就是一個例子?；貒螅\鳴被聘為大連理工大學(xué)副研究員，學(xué)校為其提供獨立的教研室。其所在的傳感與振動研究所擁有國內(nèi)先進的精密及特種加工以及檢測設(shè)備，形成了具有高質(zhì)量的微納制造為優(yōu)勢的特色團隊，而江誠鳴也可以根據(jù)國家重大需求，以及本學(xué)科的重點發(fā)展方向。

“納米尺寸上的一些跟光和電有關(guān)的功能性的器件?！边@是江誠鳴對自己研究方向的一句話概述。多年來，他主要研究包括圖像傳感器、壓力轉(zhuǎn)化傳感器以及光子邏輯芯片等在內(nèi)的微納系統(tǒng)，負(fù)責(zé)及參與了國家自然科學(xué)基金等7項橫縱向課題；他還作為國家重大專項第二責(zé)任人，承擔(dān)其中多項子課題；作為骨干參與2018國家重點研發(fā)計劃等重大項目……負(fù)責(zé)總項目經(jīng)費近3000萬元。

優(yōu)秀的人到哪里都會發(fā)光，隨之而來的獎勵也是他所付出努力的見證。2015年，還是學(xué)生的江誠鳴榮獲了“國家優(yōu)秀留學(xué)生獎”，2018年，參加工作的江誠鳴又榮獲了大連理工大學(xué)“星海優(yōu)青”稱號。迄今為止，江誠鳴已在國內(nèi)外發(fā)表SCI期刊論文30余篇，其中TOP類期刊10余篇，作為第一或通信作者發(fā)表論文19篇，申請國內(nèi)外專利10多項，擔(dān)任多個國際著名期刊審稿人。

原創(chuàng)和開創(chuàng)，意義重大的累累碩果

從求學(xué)到工作，在微納光電與傳感芯片研究方面，江誠鳴取得了一系列具有國際重要影響力的原創(chuàng)性和開創(chuàng)性研究成果。

高性能數(shù)字圖像傳感器是江誠鳴的一個主要研究方向。他的一項研究成果——新一代高性能數(shù)字圖像傳感器，實現(xiàn)了高技能的土壤傳感器研究，通過“國家集成電路委員會”認(rèn)證，具有國際領(lǐng)先技術(shù)水平。

江誠鳴介紹，這一成果系統(tǒng)研究了納米半導(dǎo)體材料的光電特性，研制成功基于三維半導(dǎo)體材料的超高分辨率數(shù)字圖像傳感器，大幅度突破當(dāng)前CCD、CMOS分辨率極限?！爱?dāng)前，國際上最高分辨率的數(shù)字圖像傳感器達1.12微米，已經(jīng)非常接近硅基半導(dǎo)體微電子器件的分辨率極限，而我國現(xiàn)在能自主生產(chǎn)的數(shù)字圖像傳感器分辨率遠落后于這一極限指標(biāo)?！睘榇?，江誠鳴利用半導(dǎo)體材料的納米結(jié)構(gòu)，通過納米尺寸來優(yōu)化最小感光材料，同時通過高分子表面活性處理，以及完全不同于基于硅基的CCD和CMOS的工作機理，成功研制了納米級分辨率的數(shù)字圖像傳感器?！八姆直媛示哂?0納米，也就是0.05微米的像素點大小，在分辨率這一重要參數(shù)上，是現(xiàn)在最高分辨率CCD的近100倍。如果按感光像素面積計算，是現(xiàn)在國際最高分辨率CCD的近萬倍（100×100）?！苯\鳴自豪道。

該研究成果一經(jīng)發(fā)表在T o p期刊Advanced Materials上，就引發(fā)廣泛關(guān)注，美國Nanowerk、《環(huán)球時報》、《科技日報》等相繼對其做了深入報道。因為該成果很大程度上超越了現(xiàn)有的國外擁有核心技術(shù)的傳統(tǒng)土壤傳感器技術(shù)，在技能上和功能上也都有很大的提升。所以，2015年，它被圖像傳感器行業(yè)列評為“十大傳感器事件”。

此外，江誠鳴還承擔(dān)研發(fā)了新一代的光子邏輯運算芯片及微納諧振傳感芯片等眾多創(chuàng)新性成果，多次參與地方媒體的報道與路演，得到社會各方的廣泛關(guān)注與認(rèn)可。

在納米諧振光子晶體管方面，江誠鳴利用成功制備了晶圓尺寸的超小型高性能有機光源驅(qū)動晶體管，直接解決了光系統(tǒng)邏輯電路的光控門集成問題。同時，該光子晶體管垂直控制系統(tǒng)可以高達106的超高光電性能開關(guān)比，直接將集成化光子晶體管的實際性應(yīng)用推入一個全新的階段。更重要的是，他首次實現(xiàn)了晶體管的高抗電磁干擾能力，從元件上解決了電子設(shè)備易受外界電磁波干擾的這一世界性的難題，為光子晶體管的發(fā)展和邏輯電路芯片的研究提供了堅實的實驗方法。該研究成果發(fā)表在Top期刊ACS Nano上，為全新的光子計算領(lǐng)域提供了新思路，也為其應(yīng)用開啟了新的方向。

納米級微小懸臂梁制備及檢測是個復(fù)雜且困難的實驗，之前沒有相關(guān)的研究，而且已有的測量設(shè)備和建立的表征方法不能直接測得其芯片諧振狀態(tài)。江誠鳴發(fā)明了一種直接測量納米線諧振狀態(tài)的新方法，該方法作為一種普遍適用的測量方法，可以用于作為測量極微小質(zhì)量的傳感芯片，該芯片將最小質(zhì)量測量的極限從10-16g提升至10-18g，近2個數(shù)量級。這項研究成果者發(fā)表在Top期刊Nano Letters上，對于微小質(zhì)量高精度測量的研究具有十分重要的意義。

在談到光子邏輯芯片的發(fā)展時，江誠鳴介紹：“我們拋棄了傳統(tǒng)的硅材料，也就是使用電子進行核定算的原理，而采用光子來代替電子，從而實現(xiàn)它的邏輯開關(guān)功能。它最大的優(yōu)勢就在于具有很強的抗電磁干擾能力，保證了邏輯芯片的CPU的穩(wěn)定性。在軍事戰(zhàn)爭中，如果遇到了電磁炮等的攻擊，它依然能夠保持良好的工作狀態(tài)。我覺得在國防安全領(lǐng)域，它都有比較廣的應(yīng)用前景?！?/p>

核心技術(shù)，避免被“卡脖子”的“磚石”

“中美貿(mào)易戰(zhàn)讓我們深刻意識到很多核心技術(shù)不能靠別人，得靠我們自己。但是因為我們起步較晚，很多事情都是在別人已經(jīng)搭建的大廈上面再進行進一步的推廣或者發(fā)展，所以一旦人家把這種底層的技術(shù)封鎖，后面的工作就無法開展?！苯\鳴感嘆，這是個任重道遠的過程，要從最基礎(chǔ)的理論進行學(xué)習(xí)和深入研究，把腳底下的“磚石”壘實，就不會再因為某一個環(huán)節(jié)“卡脖子”。而江誠鳴正在做的事，就是依靠自己掌握的核心技術(shù)，避免被人“卡脖子”。

“在目前研究的基礎(chǔ)上，以無機和有機半導(dǎo)體特性為研究目標(biāo)，深入開展其在邏輯芯片、光電芯片及微納機械芯片等方面的基礎(chǔ)應(yīng)用研究，為我國集成電路應(yīng)用提供理論支撐和技術(shù)基礎(chǔ)?！苯\鳴介紹，他將致力于做好壘“磚石”的工作。

“由于加工納米像素和電路的工藝要求極其復(fù)雜，在下一代數(shù)字圖像傳感器的研究方面還有很多路要走?！苯\鳴介紹，納米材料的可控合成制備是這一研究計劃中各研究方向的基礎(chǔ)。

他們計劃通過物理、化學(xué)、微電子加工等不同方法合成制備大量規(guī)則半導(dǎo)體納米陣列，然后利用半導(dǎo)體納米陣列將作為核心感光納米像素，進一步加工形成可讀取的數(shù)字圖像傳感器像素點。除了從底到頂?shù)脑訉由L方式，還將研究提高微電子加工的光刻方法，以期在高質(zhì)量半導(dǎo)體薄膜上制備大量規(guī)則的半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)。另外，還將研究高分子表面活性劑對半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)的性質(zhì)影響，以提高器件對圖像傳感的響應(yīng)性能。最后，高導(dǎo)電性的金屬合金作為信號讀取通道，從而形成完整的具有納米級別分辨率的下一代數(shù)字圖像傳感器。這種種規(guī)劃，都將為我國的圖像傳感器芯片領(lǐng)域發(fā)展，起到強有力的推動作用。

在有機光子邏輯芯片的研發(fā)方面，未來也大有可為。“當(dāng)前科學(xué)界對光子邏輯芯片的研究還非常有限，目前還都停留在外部光源間接驅(qū)動的運用上。后續(xù)項目擬系統(tǒng)研究氧化鋅納米線在進入集成化近場光子驅(qū)動之后，由于其高表面能以及高原子鍵能改變而導(dǎo)致的邏輯運算特性發(fā)生的變化?！苯\鳴計劃，用實驗的方法研究光子集體管的尺寸效應(yīng)，同時結(jié)合后期將通過實驗的方法實現(xiàn)帶有邏輯運算功能的光子邏輯運算門系統(tǒng)，從而實現(xiàn)推動新一代的光子晶體管計算機發(fā)展的效果。

而在納米諧振芯片的研發(fā)方面，江誠鳴計劃設(shè)計新的實驗?zāi)Ｐ?，從而根本上避免非均勻?yīng)變、緩慢形變、不穩(wěn)定接觸力以及導(dǎo)致的測量偏差，進而可以精確表征納米線的機械性能?！叭绻@個成果取得成功，將為納米機械方向相關(guān)的納米能源、納米機電等領(lǐng)域進行深入的研究和發(fā)展提供新的發(fā)展方向?！睂＜以u價。

“未來，我們還要依托大連理工大學(xué)先進制造技術(shù)團隊，以課題組內(nèi)的教授、副教授為骨干力量，著手建設(shè)精干青年人才團隊，申請國家優(yōu)青基金項目，謀劃國家重大課題，力爭前沿國際合作項目?！苯\鳴介紹，建立大連理工大學(xué)在集成電路技術(shù)領(lǐng)域的優(yōu)勢地位，推動高性能芯片技術(shù)在企業(yè)的成果轉(zhuǎn)化與應(yīng)用，服務(wù)遼寧省本地企業(yè)，也是他科研工作的目標(biāo)。

嚴(yán)謹(jǐn)認(rèn)真的態(tài)度，原創(chuàng)和開創(chuàng)性的成果，再以一步步壘好的核心技術(shù)“磚石”基礎(chǔ)加持，我國芯片產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展圖景仿佛已經(jīng)在眼前。江誠鳴和他的團隊仍在芯片事業(yè)中不斷譜寫新篇章。風(fēng)勁帆滿圖新志，砥礪奮進正當(dāng)時！