2022-12-06 12:00:32 來源：人民網(wǎng)
北京大學(xué)微電子工藝實驗室一角。
吳 明攝
黨的二十大報告提出：“必須堅持科技是第一生產(chǎn)力、人才是第一資源、創(chuàng)新是第一動力，深入實施科教興國戰(zhàn)略、人才強國戰(zhàn)略、創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展戰(zhàn)略，開辟發(fā)展新領(lǐng)域新賽道，不斷塑造發(fā)展新動能新優(yōu)勢?！?/span>
青年強，則國家強。黨的十八大以來，一大批70后、80后、90后青年科研人員脫穎而出，日益成為科技創(chuàng)新的生力軍、主力軍。他們懷抱夢想又腳踏實地，敢想敢為又善作善成，展示了自信自強、勇攀高峰、蓬勃向上的中國力量。本版從今天起推出“科技自立自強 青年奮勇?lián)?dāng)”系列報道，介紹優(yōu)秀青年科學(xué)家的創(chuàng)新成果和科研故事，敬請關(guān)注。
——編 者
人物簡介：
黃芊芊，1989年9月生于江西上饒，現(xiàn)為北京大學(xué)集成電路學(xué)院研究員、博士生導(dǎo)師，長期致力于后摩爾時代超低功耗微納電子器件及其應(yīng)用研究。
16歲考入北大，22歲在國際半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域頂級會議“國際電子器件大會”上發(fā)表論文，28歲成為北京大學(xué)研究員、博導(dǎo)，29歲獲得國家優(yōu)秀青年科學(xué)基金項目資助，30歲榮獲美國電氣與電子工程師協(xié)會電子器件學(xué)會青年成就獎、中國求是杰出青年學(xué)者獎，31歲榮獲第二屆騰訊科學(xué)探索獎，而且是50名獲獎?wù)咧心挲g最小的一位……
30出頭的黃芊芊，是如何一路過關(guān)斬將、脫穎而出的？
黃芊芊讀大三時加入黃如院士課題組，大四畢業(yè)后師從王陽元院士和黃如院士攻讀博士學(xué)位。她清楚地記得：讀博伊始，王老師就把自己的新著《綠色微納電子學(xué)》贈送給她，并語重心長地指出：未來集成電路產(chǎn)業(yè)和科學(xué)技術(shù)發(fā)展的驅(qū)動力是降低功耗，不僅以提高集成度（減小特征尺寸）為節(jié)點，也以提高能效比為標尺。
一般來說，為了追求芯片速度和性能的不斷提升，晶體管的尺寸越來越小、集成度越來越高。但這也會導(dǎo)致芯片的功耗密度急劇增加，若不加以優(yōu)化限制，甚至?xí)咏朔磻?yīng)堆或火箭噴口的水平。隨著萬物互聯(lián)智能時代的到來，物聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、邊緣智能計算等呈指數(shù)級增長的終端對芯片功耗提出了更為嚴苛的要求。晶體管和電路芯片的功耗問題，已成為制約集成電路未來發(fā)展的一大瓶頸。
從那時起，黃芊芊便暗下決心：設(shè)計實現(xiàn)新型超低功耗晶體管，從基礎(chǔ)器件層面著手破解這個難題。
選準技術(shù)路線，破解難題
在全面梳理國內(nèi)外已有研究成果后，黃芊芊選擇了一個突破口——隧穿場效應(yīng)晶體管。
當(dāng)時國際上主要有兩大研究思路，一個是基于傳統(tǒng)的硅材料，一個是直接換材料。相比之下，換材料更容易把器件的開態(tài)電流提上去，而且能更快地取得研究進展、發(fā)表論文。但是，這些新材料隧穿場效應(yīng)晶體管與現(xiàn)有標準硅基工藝不兼容，難以實現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)。
是在硅基這條“老路”上硬扛，還是跟隨熱點、在換材料上做文章？
在與兩位老師商量之后，黃芊芊選擇了前者。她心里很清楚，這其實是一條最難走的技術(shù)路線：基于硅材料的傳統(tǒng)晶體管已經(jīng)發(fā)展了幾十年，結(jié)構(gòu)設(shè)計和生產(chǎn)工藝已經(jīng)非常成熟。這意味著在硅基工藝上隧穿器件可以突破的空間很小，面臨的挑戰(zhàn)無疑也更大。
為什么要選一條最難的路？黃芊芊的解釋是“研以致用”：“盡管在新材料上做文章很有吸引力，也是重要的前沿?zé)狳c，但這些新材料距離實際應(yīng)用目前還比較遠。在原有的硅基體系里去創(chuàng)新，能夠更好地讓成果落地?！?/span>
傳統(tǒng)晶體管的功耗降低受制于一個物理極限——玻爾茲曼亞閾值擺幅極限。傳統(tǒng)的MOSFET（金屬—氧化物—半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管）器件的亞閾值擺幅，在室溫理想情況下的極限為60mV/dec。這意味著，獲取3個數(shù)量級的輸出電流開關(guān)比需要至少180mV的電源電壓。該限制使得以MOSFET器件為基礎(chǔ)的集成電路芯片不能無限制地通過減小工作電壓來降低功耗。另一方面，為保證晶體管足夠的電流驅(qū)動能力，需要在降低電源電壓的同時降低MOSFET器件的閾值電壓，但這又會引起器件關(guān)態(tài)電流的升高，導(dǎo)致靜態(tài)功耗增加。
要解決這個矛盾，就必須要研發(fā)具有超陡亞閾值擺幅的新型超低功耗器件?；诹孔訋泶C理的硅基隧穿場效應(yīng)晶體管，當(dāng)時國際同行已研究了五六年，其好處在于：理論上可以突破傳統(tǒng)MOSFET的亞閾值擺幅極限，而且關(guān)態(tài)電流還特別低，對于靜態(tài)功耗占主導(dǎo)的低頻應(yīng)用來說，有望大幅降低芯片功耗。
不過，有一利必有一弊：由于硅基隧穿場效應(yīng)晶體管采用的是量子帶帶隧穿機理，所以其隧穿電流就會受限于隧穿幾率，沒有傳統(tǒng)MOSFET的驅(qū)動電流高。而開態(tài)電流在很大程度上決定了晶體管運行的速度快慢——開態(tài)電流太低，性能就難以滿足需求。
如何在保證極低關(guān)態(tài)電流優(yōu)勢的同時，解決開態(tài)低的問題？在兩位老師的指導(dǎo)下，黃芊芊和同伴們提出了一種開創(chuàng)性的新理論——“混合控制”：采用傳統(tǒng)肖特基注入機理解決開態(tài)低的問題，同時利用隧穿機理實現(xiàn)低關(guān)態(tài)和超陡亞閾值擺幅。
為驗證這個新理論，黃芊芊花了整整一年時間，從頭到尾做了一次完整的實驗。那一年，她基本上是“白加黑”、連軸轉(zhuǎn)：白天跑工藝間做實驗，晚上總結(jié)經(jīng)驗教訓(xùn)。到緊要階段更是常常連熬幾個通宵。一年下來，人整個瘦了一圈。
有心人，天不負。最終的實驗結(jié)果證明：“混合控制”的理論在實驗上行得通！
另一個更實際的問題擺在面前：如何在工藝上做出非常陡的隧穿結(jié)？要知道，常規(guī)工藝較難做出理想陡峭的隧穿結(jié)，如果工藝上做不出來，就只能是紙上談兵。這也是當(dāng)時國內(nèi)外同行報道的亞閾值擺幅比理論預(yù)期要差很多的關(guān)鍵所在。
針對現(xiàn)有工藝條件對亞閾值擺幅的限制，黃芊芊和同伴們提出了一個新機理——“結(jié)耗盡調(diào)制效應(yīng)”：將常規(guī)柵結(jié)構(gòu)改為橫向條形柵結(jié)構(gòu)，引入自耗盡作用，等效實現(xiàn)陡峭的帶帶隧穿結(jié)，進而顯著減小器件的亞閾值擺幅。
此后，黃芊芊繼續(xù)攻關(guān)，將“混合控制”與“結(jié)耗盡調(diào)制效應(yīng)”的優(yōu)勢結(jié)合起來，進行結(jié)構(gòu)與技術(shù)創(chuàng)新，提出并研制出新型梳狀柵雜質(zhì)分凝隧穿場效應(yīng)晶體管，在室溫下打破了國際上硅基隧穿器件的亞閾值擺幅紀錄，器件綜合性能為國際報道中同類器件最高。
抓住關(guān)鍵所在，走產(chǎn)業(yè)化之路
在學(xué)校的超凈實驗室做出隧穿場效應(yīng)晶體管，只是萬里長征的第一步。這個東西最終能不能成，還得在大生產(chǎn)線上做出來才行。
從2012年開始，黃芊芊與國內(nèi)某頂尖集成電路制造商（以下簡稱CMC）合作，把在學(xué)校里研發(fā)的超低功耗隧穿場效應(yīng)晶體管，拿到北京亦莊的生產(chǎn)線上去做。
隧穿場效應(yīng)晶體管這個技術(shù)從結(jié)構(gòu)上看似不復(fù)雜，但在國際工業(yè)界，仍未能采用標準工藝生產(chǎn)線制造出性能優(yōu)異的隧穿器件?！吧袭a(chǎn)線到底行不行？”從北大到亦莊有一個多小時的車程，坐在車里，黃芊芊一邊忍受著頭暈帶來的不適，一邊心里犯嘀咕。
在與CMC的技術(shù)團隊反復(fù)交流討論之后，她對原有的標準生產(chǎn)線工藝做了一些初步的設(shè)計調(diào)整，進行了幾批流片，但是結(jié)果都不太理想。
回到學(xué)校，她屏息靜氣，先把可能的問題從頭到尾梳理了幾遍，然后重新評估：設(shè)計上哪些細節(jié)還需要調(diào)整，工藝上哪個環(huán)節(jié)還應(yīng)該優(yōu)化……找到癥結(jié)所在后，她又對方案逐一修改、優(yōu)化、改進。
在2015年博士畢業(yè)那年，黃芊芊和同伴們終于在CMC的產(chǎn)線上研制出世界上首個基于12英寸現(xiàn)行標準CMOS工藝平臺的互補隧穿集成技術(shù)：在同一硅晶圓片上同時實現(xiàn)了性能優(yōu)異的互補隧穿器件和標準CMOS器件的制備，隧穿器件的亞閾值擺幅在國際上基于制造廠商工藝的同類報道中首次實現(xiàn)低于60mV/dec，靜態(tài)功耗比同尺寸MOSFET器件低3個數(shù)量級。
但是，從這一步到最終的目標仍有一定距離，還要面臨優(yōu)化工藝、解決良率等一系列問題。2015年—2017年做博士后期間，黃芊芊再接再厲，一門心思破解器件在產(chǎn)線上的漲落和可靠性等關(guān)鍵問題。
2017年9月，她博士后順利出站，被北大聘為微納電子學(xué)系研究員、博士生導(dǎo)師。她與北方集成電路技術(shù)創(chuàng)新中心等單位的科研團隊聯(lián)合申請了一項國家重點研發(fā)項目，朝著實現(xiàn)高可靠超低功耗晶體管技術(shù)產(chǎn)業(yè)化的目標繼續(xù)行進。
“目前進展還不錯，隧穿器件的電流開關(guān)比做到了業(yè)界國際領(lǐng)先，我覺得有望在未來幾年內(nèi)實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用?！秉S芊芊說。
從2009年下半年算起，黃芊芊已經(jīng)在超低功耗微納電子器件這個研究領(lǐng)域跋涉了13年。
記者忍不住問她：“你為什么能一條道走到黑、堅持這么長時間？”
“就是覺得這個事情有意義。”黃芊芊說，從學(xué)界到產(chǎn)業(yè)界，現(xiàn)在還能堅持在硅基隧穿晶體管上做研究的，已經(jīng)很少了。“因為我們一開始就是朝著產(chǎn)業(yè)化的方向做，所以能一直堅持下來，不然可能干個幾年就要換方向了?！?/span>
“你在接手這個課題的時候，有沒有想過其中的困難？”
“說實話，我沒想過困難不困難的?！秉S芊芊坦陳，“我就是大概知道我要干嗎，其他的事情沒怎么去想。但是當(dāng)你真的要走到那兒的時候就會知道：這是多么不容易的事兒?！?/span>
“我知道它很難，但我也不會對未來想特別多，讓自己焦慮或者怎樣?！彼霓k法是，把目標拆解，一步一步往前推，爭取每次比原來的自己更進步一點。
“就像爬珠穆朗瑪峰，如果一開始就知道自己肯定上不去，你可能就不會上了。”黃芊芊說，“但我可以先到大本營，然后再慢慢往上走。走到半山腰、感覺自己爬不動的時候，我就會告訴自己：你都走到這份上了，干嗎不再努力一把？”
黃芊芊跟記者分享了北大知名美學(xué)教授朱光潛先生的一句話：一個人的生活力之強弱，以能否朝抵抗力最大的路徑為準，一個國家或是一個民族也是如此。
她特別喜歡這句話：“它簡單質(zhì)樸，沒有什么華麗的辭藻，卻把做事做人的道理講透了?！?/span>
《 人民日報 》（ 2022年12月05日 19 版）
編輯：海洋