壘好“磚石”，芯片技術(shù)砥礪奮進(jìn)正當(dāng)時(shí)
——記大連理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院副研究員江誠(chéng)鳴

梁佳歡

江誠(chéng)鳴

日常生活中，當(dāng)我們看到美麗的風(fēng)景，或者面對(duì)一桌子美食時(shí)，總會(huì)情不自禁拿起手機(jī)，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(gè)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(guó)一些芯片公司所壟斷，國(guó)內(nèi)的產(chǎn)業(yè)技術(shù)其實(shí)還需要努力?！比涨?，大連理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院副研究員江誠(chéng)鳴在接受記者采訪時(shí)說(shuō)。他多年來(lái)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(jī)交互技術(shù)，在人們?nèi)粘Ｊ褂玫氖謾C(jī)、相機(jī)等物品中有廣泛的應(yīng)用。

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

嚴(yán)謹(jǐn)認(rèn)真，求學(xué)路上抹不去的烙印

2006年，江誠(chéng)鳴以優(yōu)異的成績(jī)考入西北大學(xué)，報(bào)考專業(yè)志愿的時(shí)候，他毫不猶豫地選擇了物理學(xué)專業(yè)。

江誠(chéng)鳴坦言，當(dāng)時(shí)他也不懂這個(gè)專業(yè)未來(lái)的發(fā)展方向。選擇這個(gè)專業(yè)的原因很單純，就是因?yàn)楦咧袝r(shí)自己的物理學(xué)得比較好，并且對(duì)物理學(xué)挺感興趣。

大學(xué)四年的生活在江誠(chéng)鳴身上烙下了嚴(yán)謹(jǐn)認(rèn)真的印跡。“在物理學(xué)這個(gè)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(duì)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(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)?！?/p>

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

剛到美國(guó)求學(xué)的時(shí)候，江誠(chéng)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(jiǎng)學(xué)金的資助。“但是在攻讀的過(guò)程中，我發(fā)現(xiàn)物理學(xué)理論性比較強(qiáng)、實(shí)踐性比較少。”江誠(chéng)鳴說(shuō)，他通過(guò)自我評(píng)估，發(fā)現(xiàn)自己對(duì)科學(xué)實(shí)驗(yàn)更感興趣。恰好當(dāng)時(shí)材料學(xué)方向缺一個(gè)博士，順應(yīng)這個(gè)契機(jī)，江誠(chéng)鳴轉(zhuǎn)到了材料科學(xué)專業(yè)。

“我在美國(guó)的導(dǎo)師——宋金會(huì)教授，也是大連理工大學(xué)納米光電研究所所長(zhǎng)。他對(duì)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(shí)候，他總是以過(guò)來(lái)人的身份對(duì)我進(jìn)行指導(dǎo)?！苯\(chéng)鳴說(shuō)，導(dǎo)師就是他的引路人。

2016年，江誠(chéng)鳴一畢業(yè)就回國(guó)了。當(dāng)時(shí)，宋金會(huì)教授已將整個(gè)團(tuán)隊(duì)遷回國(guó)內(nèi)，加入大連理工大學(xué)，江誠(chéng)鳴也順理成章地來(lái)到了大連理工大學(xué)，開(kāi)始幫團(tuán)隊(duì)組建實(shí)驗(yàn)室。“畢業(yè)時(shí)也想過(guò)留在美國(guó)，但后來(lái)發(fā)現(xiàn)國(guó)內(nèi)的發(fā)展對(duì)我更有吸引力。畢竟作為一個(gè)中國(guó)人，還是想回到自己的祖國(guó)做貢獻(xiàn)，這是更值得，也更感光榮的事?！彪m然在美國(guó)工作會(huì)有更好的物質(zhì)條件去享受，但在江誠(chéng)鳴看來(lái)，心靈上的富足更重要。

在回國(guó)后的去向問(wèn)題上，還有一段小插曲。當(dāng)時(shí)，江蘇的一所高校也向江誠(chéng)鳴遞出了橄欖枝，這對(duì)于身為江蘇人的他來(lái)說(shuō)，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(tuán)隊(duì)整體性的角度出發(fā)，以及未來(lái)發(fā)展前景等方面考慮，我覺(jué)得大連理工大學(xué)的平臺(tái)可能更適合我，讓我能夠獲得更好的平臺(tái)支撐，也讓我回國(guó)的抱負(fù)和理想更容易實(shí)現(xiàn)?！?/p>

大連理工大學(xué)是教育部直屬全國(guó)重點(diǎn)大學(xué)，也是國(guó)家原“211工程”和“985工程”重點(diǎn)建設(shè)高校。2001年以來(lái)，學(xué)校共獲國(guó)家科技獎(jiǎng)勵(lì)47項(xiàng)、省部級(jí)科技獎(jiǎng)勵(lì)490項(xiàng)。組建富于拼搏和創(chuàng)新精神的研究小組，獨(dú)立開(kāi)展研究工作，是顯著成績(jī)背后的訣竅。此外，學(xué)校在各類人才計(jì)劃上予以重點(diǎn)支持，提供所需的人力、物力等支持。

江誠(chéng)鳴就是一個(gè)例子?；貒?guó)后，江誠(chéng)鳴被聘為大連理工大學(xué)副研究員，學(xué)校為其提供獨(dú)立的教研室。其所在的傳感與振動(dòng)研究所擁有國(guó)內(nèi)先進(jìn)的精密及特種加工以及檢測(cè)設(shè)備，形成了具有高質(zhì)量的微納制造為優(yōu)勢(shì)的特色團(tuán)隊(duì)，而江誠(chéng)鳴也可以根據(jù)國(guó)家重大需求，以及本學(xué)科的重點(diǎn)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(chéng)鳴對(duì)自己研究方向的一句話概述。多年來(lái)，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(guó)家自然科學(xué)基金等7項(xiàng)橫縱向課題；他還作為國(guó)家重大專項(xiàng)第二責(zé)任人，承擔(dān)其中多項(xiàng)子課題；作為骨干參與2018國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃等重大項(xiàng)目……負(fù)責(zé)總項(xiàng)目經(jīng)費(fèi)近3000萬(wàn)元。

優(yōu)秀的人到哪里都會(huì)發(fā)光，隨之而來(lái)的獎(jiǎng)勵(lì)也是他所付出努力的見(jiàn)證。2015年，還是學(xué)生的江誠(chéng)鳴榮獲了“國(guó)家優(yōu)秀留學(xué)生獎(jiǎng)”，2018年，參加工作的江誠(chéng)鳴又榮獲了大連理工大學(xué)“星海優(yōu)青”稱號(hào)。迄今為止，江誠(chéng)鳴已在國(guó)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(qǐng)國(guó)內(nèi)外專利10多項(xiàng)，擔(dān)任多個(gè)國(guó)際著名期刊審稿人。

原創(chuàng)和開(kāi)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(chéng)鳴取得了一系列具有國(guó)際重要影響力的原創(chuàng)性和開(kāi)創(chuàng)性研究成果。

高性能數(shù)字圖像傳感器是江誠(chéng)鳴的一個(gè)主要研究方向。他的一項(xiàng)研究成果——新一代高性能數(shù)字圖像傳感器，實(shí)現(xiàn)了高技能的土壤傳感器研究，通過(guò)“國(guó)家集成電路委員會(huì)”認(rèn)證，具有國(guó)際領(lǐng)先技術(shù)水平。

江誠(chéng)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(guó)際上最高分辨率的數(shù)字圖像傳感器達(dá)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(guó)現(xiàn)在能自主生產(chǎn)的數(shù)字圖像傳感器分辨率遠(yuǎn)落后于這一極限指標(biāo)?！睘榇?，江誠(chéng)鳴利用半導(dǎo)體材料的納米結(jié)構(gòu)，通過(guò)納米尺寸來(lái)優(yōu)化最小感光材料，同時(shí)通過(guò)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(jī)理，成功研制了納米級(jí)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(diǎn)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(jì)算，是現(xiàn)在國(guó)際最高分辨率CCD的近萬(wàn)倍（100×100）?！苯\(chéng)鳴自豪道。

該研究成果一經(jīng)發(fā)表在Top 期刊Advanced Materials上，就引發(fā)廣泛關(guān)注，美國(guó)Nanowerk、《環(huán)球時(shí)報(bào)》、《科技日?qǐng)?bào)》等相繼對(duì)其做了深入報(bào)道。因?yàn)樵摮晒艽蟪潭壬铣搅爽F(xiàn)有的國(guó)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(píng)為“十大傳感器事件”。

此外，江誠(chéng)鳴還承擔(dān)研發(fā)了新一代的光子邏輯運(yùn)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(bào)道與路演，得到社會(huì)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(chéng)鳴利用成功制備了晶圓尺寸的超小型高性能有機(jī)光源驅(qū)動(dòng)晶體管，直接解決了光系統(tǒng)邏輯電路的光控門集成問(wèn)題。同時(shí)，該光子晶體管垂直控制系統(tǒng)可以高達(dá)106的超高光電性能開(kāi)關(guān)比，直接將集成化光子晶體管的實(shí)際性應(yīng)用推入一個(gè)全新的階段。更重要的是，他首次實(shí)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(jiān)實(shí)的實(shí)驗(yàn)方法。該研究成果發(fā)表在Top期刊ACS Nano上，為全新的光子計(jì)算領(lǐng)域提供了新思路，也為其應(yīng)用開(kāi)啟了新的方向。

納米級(jí)微小懸臂梁制備及檢測(cè)是個(gè)復(fù)雜且困難的實(shí)驗(yàn)，之前沒(méi)有相關(guān)的研究，而且已有的測(cè)量設(shè)備和建立的表征方法不能直接測(cè)得其芯片諧振狀態(tài)。江誠(chéng)鳴發(fā)明了一種直接測(cè)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(cè)量方法，可以用于作為測(cè)量極微小質(zhì)量的傳感芯片，該芯片將最小質(zhì)量測(cè)量的極限從10-16g提升至10-18g，近2個(gè)數(shù)量級(jí)。這項(xiàng)研究成果者發(fā)表在Top期刊Nano Letters上，對(duì)于微小質(zhì)量高精度測(cè)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(shí)，江誠(chéng)鳴介紹：“我們拋棄了傳統(tǒng)的硅材料，也就是使用電子進(jìn)行核定算的原理，而采用光子來(lái)代替電子，從而實(shí)現(xiàn)它的邏輯開(kāi)關(guān)功能。它最大的優(yōu)勢(shì)就在于具有很強(qiáng)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(zhēng)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(jué)得在國(guó)防安全領(lǐng)域，它都有比較廣的應(yīng)用前景。”

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(shí)到很多核心技術(shù)不能靠別人，得靠我們自己。但是因?yàn)槲覀兤鸩捷^晚，很多事情都是在別人已經(jīng)搭建的大廈上面再進(jìn)行進(jìn)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(wú)法開(kāi)展?！苯\(chéng)鳴感嘆，這是個(gè)任重道遠(yuǎn)的過(guò)程，要從最基礎(chǔ)的理論進(jìn)行學(xué)習(xí)和深入研究，把腳底下的“磚石”壘實(shí)，就不會(huì)再因?yàn)槟骋粋€(gè)環(huán)節(jié)“卡脖子”。而江誠(chéng)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(wú)機(jī)和有機(jī)半導(dǎo)體特性為研究目標(biāo)，深入開(kāi)展其在邏輯芯片、光電芯片及微納機(jī)械芯片等方面的基礎(chǔ)應(yīng)用研究，為我國(guó)集成電路應(yīng)用提供理論支撐和技術(shù)基礎(chǔ)?！苯\(chéng)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。”江誠(chéng)鳴介紹，納米材料的可控合成制備是這一研究計(jì)劃中各研究方向的基礎(chǔ)。

他們計(jì)劃通過(guò)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(jìn)一步加工形成可讀取的數(shù)字圖像傳感器像素點(diǎn)。除了從底到頂?shù)脑訉由L(zhǎng)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(duì)半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)的性質(zhì)影響，以提高器件對(duì)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(hào)讀取通道，從而形成完整的具有納米級(jí)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(guó)的圖像傳感器芯片領(lǐng)域發(fā)展，起到強(qiáng)有力的推動(dòng)作用。

團(tuán)隊(duì)合影

在有機(jī)光子邏輯芯片的研發(fā)方面，未來(lái)也大有可為?！爱?dāng)前科學(xué)界對(duì)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(dòng)的運(yùn)用上。后續(xù)項(xiàng)目擬系統(tǒng)研究氧化鋅納米線在進(jìn)入集成化近場(chǎng)光子驅(qū)動(dòng)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(yùn)算特性發(fā)生的變化?！苯\(chéng)鳴計(jì)劃，用實(shí)驗(yàn)的方法研究光子集體管的尺寸效應(yīng)，同時(shí)結(jié)合后期將通過(guò)實(shí)驗(yàn)的方法實(shí)現(xiàn)帶有邏輯運(yùn)算功能的光子邏輯運(yùn)算門系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)推動(dòng)新一代的光子晶體管計(jì)算機(jī)發(fā)展的效果。

而在納米諧振芯片的研發(fā)方面，江誠(chéng)鳴計(jì)劃設(shè)計(jì)新的實(shí)驗(yàn)?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(cè)量偏差，進(jìn)而可以精確表征納米線的機(jī)械性能?！叭绻@個(gè)成果取得成功，將為納米機(jī)械方向相關(guān)的納米能源、納米機(jī)電等領(lǐng)域進(jìn)行深入的研究和發(fā)展提供新的發(fā)展方向?！睂＜以u(píng)價(jià)。

“未來(lái)，我們還要依托大連理工大學(xué)先進(jìn)制造技術(shù)團(tuán)隊(duì)，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(tuán)隊(duì)，申請(qǐng)國(guó)家優(yōu)青基金項(xiàng)目，謀劃國(guó)家重大課題，力爭(zhēng)前沿國(guó)際合作項(xiàng)目?！苯\(chéng)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(shì)地位，推動(dòng)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(kāi)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(guó)芯片產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展圖景仿佛已經(jīng)在眼前。江誠(chéng)鳴和他的團(tuán)隊(duì)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(jìn)正當(dāng)時(shí)！