突出困鎖，發(fā)展新型信息薄膜與器件

謝明昊

自摩爾定律誕生后的半個多世紀里，半導體行業(yè)一直按照戈登·摩爾的預測高速發(fā)展。然而，隨著硅芯片已逼近物理成本和經(jīng)濟成本上的極限，芯片工藝制程發(fā)展減緩，摩爾定律面臨失效危機。如何抓住后摩爾時代的發(fā)展機遇，在半導體芯片產(chǎn)業(yè)占據(jù)優(yōu)勢地位，成為各國苦思的問題。

后摩爾時代，無論是繼續(xù)進行芯片微縮并降低能耗，還是在硅基板上集成更多的功能，都面臨著材料和設計方面的困難。來自西安交通大學的教授、博士生導師牛剛，多年來所致力的正是“后摩爾”集成電路功能薄膜和納米器件的研究，在綠色環(huán)保的無鉛介電、壓（鐵）電氧化物薄膜在半導體基板上的異質(zhì)外延和人工突觸器件等方面做出了一系列創(chuàng)新性研究。

學以致用，產(chǎn)學研聯(lián)動

中國西部科技創(chuàng)新港電子信息科學研究院是西安交通大學在創(chuàng)新港成立的25個研究院之一，鐵性材料與集成器件創(chuàng)新研究所是研究院下設的眾多研究所之一，牛剛是研究所副所長之一。“創(chuàng)新港建立后，我開始在學校新舊校區(qū)兩頭跑。在創(chuàng)新港帶領研究生做科研，在興慶校區(qū)給本科生上課?！?/p>

“半導體物理”、“電子顯微導論”和“半導體器件制備工藝與應用”是牛剛回國后教授的3門全英文課程，深受學生好評。其中本科生課程“半導體物理”全英文版已經(jīng)在“學堂在線”上線。早在2015年，西安交通大學就首倡發(fā)起絲綢之路大學聯(lián)盟，聯(lián)盟現(xiàn)今成員已經(jīng)包括38個國家和地區(qū)的158所高校。牛剛的課程正是針對這一聯(lián)盟?！霸鞑?，貢獻‘一帶一路”，是牛剛作為西安交大人的獨特發(fā)展規(guī)劃。

“個人的發(fā)展肯定要與學校的發(fā)展緊密結(jié)合。中國西部科技創(chuàng)新港是學校給科研人員搭建的產(chǎn)學研平臺，我的科研追求也是產(chǎn)學研聯(lián)動，實現(xiàn)成果轉(zhuǎn)化。”牛剛補充解釋道。事實上，學以致用的心愿從牛剛上學時期就已經(jīng)產(chǎn)生。

2000年，牛剛因成績優(yōu)異被保送西安交通大學，并選擇了應用領域廣泛的電子科學與技術(shù)專業(yè)。接連讀完了本、碩后，他懷揣科研夢，前往法國里昂中央理工大學電子電氣與自動化專業(yè)攻讀博士學位。2010年博士畢業(yè)后，牛剛在法國國家科學院里昂納米科技中心（CNRS-INL）又做了1年的博士后研究。在此期間，憑借過硬的學術(shù)水平和研究能力，他取得了德國“洪堡基金會”的資助，以洪堡學者的身份前往德國萊布尼茨高性能微電子所（IHP）做研究。2014年，牛剛便成為項目組組長，開始獨立做課題。

正當在海外的科研工作干得風生水起時，牛剛卻產(chǎn)生了回國的想法?！拔沂亲鲂畔⑵骷嚓P(guān)研究的，屬于‘卡脖子技術(shù)，我覺得還是應該為祖國做這個研究?！被貒?，牛剛?cè)脒x陜西省特聘專家和西安交大青年拔尖人才計劃?；趹涀杵鞯娜斯ね挥|器件、異質(zhì)外延和集成壓（鐵）電薄膜與器件是牛剛回國后的3個主要研究方向。未來信息社會需要什么，就去研究什么，從需求和應用中找尋課題是牛剛始終堅持的一個重要科研思路。

“我的研究成果需要利用集成器件優(yōu)化，進而在產(chǎn)業(yè)線進行最終檢驗，在高校實驗室中進行基礎材料研究和原理性驗證。所以我們廣泛和科研院所乃至行業(yè)內(nèi)的相關(guān)企業(yè)進行合作，建立了多個產(chǎn)學研基地。它們分布在南京、煙臺、長沙等地。其中，與中國科學院（以下簡稱“中科院”）微電子研究所和上海微系統(tǒng)研究所合作，進行集成器件研究;與企業(yè)聯(lián)動，進行新產(chǎn)品開發(fā);將研究生送到中科院和企業(yè)，校企聯(lián)合培養(yǎng)?！痹谂偪磥?，只有培養(yǎng)出更多科研應用型人才，才能真正推動我國信息器件產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

牛剛的工作方針十分明確。一手主抓與研究所和企業(yè)的合作，從應用端開發(fā)課題，以實現(xiàn)成果轉(zhuǎn)化為目標;另一手主抓與大科學裝置的合作，研究更深層次的前沿基礎物理問題。在后一方面，課題組的合作伙伴是中科院蘇州納米所大真空互聯(lián)裝置和上海同步輻射光源?！霸趪庾龌A科研時，我們就立足于實驗室的一些基本研究方法，然后再擴展到大科學裝置的一些課題的方法?！崩么笳婵栈ヂ?lián)，可以深入挖掘器件的界面、表面等特性，以及認識其運轉(zhuǎn)機制;利用同步輻射光源，可以從原子尺度上原位觀察信息器件中材料的特性和變化。具體而微的工作方針，也讓牛剛在工作當中走的每一步都異常踏實。

如今，發(fā)揮高校優(yōu)勢，立足基礎研究，面向器件應用，利用同步輻射中心等大科學裝置開展先進材料研究，同時與中國科學院微電子研究所和微系統(tǒng)研究所及相關(guān)企業(yè)緊密合作，為器件集成提供支持，加強產(chǎn)學研合作，已經(jīng)成為牛剛課題組的鮮明特色。

近年來，基于此特色，牛剛帶領課題組圍繞阻變隨機存儲器（RRAM）及相變隨機存儲器（PCRAM）兩大主流非易失性存儲技術(shù)展開人工突觸器件相關(guān)研究，并取得了一系列創(chuàng)新性成果，頻頻在《電子與電器國際工程師協(xié)會·電子器件快報》（IEEE?EDL）、《美國化學學會·應用材料與界面》（ACS?AMI）等期刊發(fā)表高水平論文。針對多電導調(diào)制的電子突觸器件，課題組重新對材料和器件進行設計和優(yōu)化，尤其是界面和摻雜調(diào)控。課題組還通過材料摻雜與編程脈沖相結(jié)合的方法實現(xiàn)高可靠突觸模擬。這些成果對于實現(xiàn)高性能人工突觸器件乃至神經(jīng)啟發(fā)的人工智能芯片具有重要參考價值，部分已經(jīng)轉(zhuǎn)化至企業(yè)。

國際合作，產(chǎn)出前沿性成果

“進行高水平的科學研究，還得堅持走國際化道路?！痹诤Ｍ舛嗄?，牛剛早已具備了開放的國際化視野和海外學界人脈和資源。目前，牛剛課題組成員十余人，打造復合型國際化課題組是他的目標。“我之前引進了一名印度籍的博士后研究員，他來到課題組后出產(chǎn)的成果已經(jīng)入選了我們學校電子學科博士后站點的代表性成果。課題組還有一名來自美國的博士生，來訪并聯(lián)合培養(yǎng)了1年。對于國內(nèi)的好苗子，依托于學校和電子學科的國際化平臺與支持，我每年都會提供他們參與國際會議的機會。”

值得一提的是，自2020年起，以鐵電材料與信息器件研究為抓手，牛剛所在的電子學院與德國萊布尼茨晶體生長研究所（IKZ）簽訂了戰(zhàn)略合作協(xié)議，開始每年互派人員交流訪問。借此，電子學科還獲批了國家留學基金委的創(chuàng)新型高端國際聯(lián)合培養(yǎng)項目。關(guān)于高質(zhì)量無鉛壓電薄膜與硅的異質(zhì)集成的研究成果就是在這期間產(chǎn)出的。

以鈦酸鋇和鈦酸鉍鈉等為代表的環(huán)境友好的無鉛壓電氧化物薄膜是綠色“物聯(lián)網(wǎng)”急需的信息功能器件材料，其功能性以單晶形態(tài)為最佳。但是，要將壓電氧化物薄膜與硅基板集成，挑戰(zhàn)極大。牛剛坦言，依托國際化合作，這一研究取得了更快的發(fā)展。

課題組利用相界調(diào)控、氧分壓控制和緩沖層等調(diào)控方法，成功在半導體襯底上實現(xiàn)了高質(zhì)量無鉛壓（鐵）電薄膜并實現(xiàn)了鐵電存儲器和超聲換能器等原型器件，證明了鈦酸鉍鈉基壓電薄膜在換能器、傳感器中有良好的應用前景;課題組還結(jié)合二維材料石墨烯，利用遠程外延實現(xiàn)功能氧化物薄膜的剝離和轉(zhuǎn)移，在不同襯底上實現(xiàn)材料轉(zhuǎn)移，在柔性器件應用中的優(yōu)勢尤為突出;而二硫化鉬-鐵電薄膜混合型器件則能夠?qū)崿F(xiàn)負電容效應低功耗晶體管和高靈敏寬帶光電探測器。相關(guān)成果已經(jīng)在《自然·通訊》（Nature?Communications）、《美國化學學會·納米》（ACS?Nano）等期刊發(fā)表多篇論文，對于異質(zhì)外延、鐵電物理等基礎研究及發(fā)展物聯(lián)網(wǎng)等新型技術(shù)均具有重要意義。

面向未來低功耗傳感器件和柔性器件，研究環(huán)境友好的無鉛壓電薄膜，進而將二維材料與鐵電功能材料結(jié)合起來，研究新材料、新物理和新器件;立足自身優(yōu)勢，積極開展國際合作，與德國、法國、西班牙等多個課題組緊密互動，產(chǎn)出國際前沿的先進成果。這是牛剛課題組的又一大科研特色。

未來，牛剛希望能將大學研究與社會需求深度融合，勇于承擔重大課題，在科研創(chuàng)新中去培養(yǎng)人才;帶領團隊，在后摩爾時代大展身手，助力祖國信息器件和芯片產(chǎn)業(yè)突出困鎖。

（責編：王芳）