北京大學(xué)微電子工藝實(shí)驗(yàn)室一角。 　　吳 明攝

　　黨的二十大報(bào)告提出：“必須堅(jiān)持科技是第一生產(chǎn)力、人才是第一資源、創(chuàng)新是第一動(dòng)力，深入實(shí)施科教興國(guó)戰(zhàn)略、人才強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略、創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展戰(zhàn)略，開(kāi)辟發(fā)展新領(lǐng)域新賽道，不斷塑造發(fā)展新動(dòng)能新優(yōu)勢(shì)。”

　　青年強(qiáng)，則國(guó)家強(qiáng)。黨的十八大以來(lái)，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(mèng)想又腳踏實(shí)地，敢想敢為又善作善成，展示了自信自強(qiáng)、勇攀高峰、蓬勃向上的中國(guó)力量。本版從今天起推出“科技自立自強(qiáng) 青年奮勇?lián)��?dāng)”系列報(bào)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(qǐng)關(guān)注。 

　　——編  者

　　

　　人物簡(jiǎn)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(zhǎng)期致力于后摩爾時(shí)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(guó)際半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域頂級(jí)會(huì)議“國(guó)際電子器件大會(huì)”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(guó)家優(yōu)秀青年科學(xué)基金項(xiàng)目資助，30歲榮獲美國(guó)電氣與電子工程師協(xié)會(huì)電子器件學(xué)會(huì)青年成就獎(jiǎng)、中國(guó)求是杰出青年學(xué)者獎(jiǎng)，31歲榮獲第二屆騰訊科學(xué)探索獎(jiǎng)，而且是50名獲獎(jiǎng)?wù)咧心挲g最小的一位……

　　30出頭的黃芊芊，是如何一路過(guò)關(guān)斬將、脫穎而出的？

　　黃芊芊讀大三時(shí)加入黃如院士課題組，大四畢業(yè)后師從王陽(yáng)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(zèng)送給她，并語(yǔ)重心長(zhǎng)地指出：未來(lái)集成電路產(chǎn)業(yè)和科學(xué)技術(shù)發(fā)展的驅(qū)動(dòng)力是降低功耗，不僅以提高集成度（減小特征尺寸）為節(jié)點(diǎn)，也以提高能效比為標(biāo)尺。

　　一般來(lái)說(shuō)，為了追求芯片速度和性能的不斷提升，晶體管的尺寸越來(lái)越小、集成度越來(lái)越高。但這也會(huì)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)�接近核反�?yīng)堆或火箭噴口的水平。隨著萬(wàn)物互聯(lián)智能時(shí)代的到來(lái)，物聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、邊緣智能計(jì)算等呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)的終端對(duì)芯片功耗提出了更為嚴(yán)苛的要求。晶體管和電路芯片的功耗問(wèn)題，已成為制約集成電路未來(lái)發(fā)展的一大瓶頸。

　　從那時(shí)起，黃芊芊便暗下決心：設(shè)計(jì)實(shí)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(gè)難題。

　　選準(zhǔn)技術(shù)路線，破解難題

　　在全面梳理國(guó)內(nèi)外已有研究成果后，黃芊芊選擇了一個(gè)突破口——隧穿場(chǎng)效應(yīng)晶體管。

　　當(dāng)時(shí)國(guó)際上主要有兩大研究思路，一個(gè)是基于傳統(tǒng)的硅材料，一個(gè)是直接換材料。相比之下，換材料更容易把器件的開(kāi)態(tài)電流提上去，而且能更快地取得研究進(jìn)展、發(fā)表論文。但是，這些新材料隧穿場(chǎng)效應(yīng)晶體管與現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)硅基工藝不兼容，難以實(shí)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(diǎn)、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(shí)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(jì)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(wú)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(diǎn)，但這些新材料距離實(shí)際應(yīng)用目前還比較遠(yuǎn)。在原有的硅基體系里去創(chuàng)新，能夠更好地讓成果落地。”

　　傳統(tǒng)晶體管的功耗降低受制于一個(gè)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(chǎng)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(gè)數(shù)量級(jí)的輸出電流開(kāi)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(wú)限制地通過(guò)減小工作電壓來(lái)降低功耗。另一方面，為保證晶體管足夠的電流驅(qū)動(dòng)能力，需要在降低電源電壓的同時(shí)降低MOSFET器件的閾值電壓，但這又會(huì)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(gè)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。基于量子帶帶隧穿機(jī)理的硅基隧穿場(chǎng)效應(yīng)晶體管，當(dāng)時(shí)國(guó)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(duì)于靜態(tài)功耗占主導(dǎo)的低頻應(yīng)用來(lái)說(shuō)，有望大幅降低芯片功耗。

　　不過(guò)，有一利必有一弊：由于硅基隧穿場(chǎng)效應(yīng)晶體管采用的是量子帶帶隧穿機(jī)理，所以其隧穿電流就會(huì)受限于隧穿幾率，沒(méi)有傳統(tǒng)MOSFET的驅(qū)動(dòng)電流高。而開(kāi)態(tài)電流在很大程度上決定了晶體管運(yùn)行的速度快慢——開(kāi)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(shì)的同時(shí)，解決開(kāi)態(tài)低的問(wèn)題？在兩位老師的指導(dǎo)下，黃芊芊和同伴們提出了一種開(kāi)創(chuàng)性的新理論——“混合控制”：采用傳統(tǒng)肖特基注入機(jī)理解決開(kāi)態(tài)低的問(wèn)題，同時(shí)利用隧穿機(jī)理實(shí)現(xiàn)低關(guān)態(tài)和超陡亞閾值擺幅。

　　為驗(yàn)證這個(gè)新理論，黃芊芊花了整整一年時(shí)間，從頭到尾做了一次完整的實(shí)驗(yàn)。那一年，她基本上是“白加黑”、連軸轉(zhuǎn)：白天跑工藝間做實(shí)驗(yàn)，晚上總結(jié)經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)。到緊要階段更是常常連熬幾個(gè)通宵。一年下來(lái)，人整個(gè)瘦了一圈。

　　有心人，天不負(fù)。最終的實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明：“混合控制”的理論在實(shí)驗(yàn)上行得通！

　　另一個(gè)更實(shí)際的問(wèn)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(lái)，就只能是紙上談兵。這也是當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)外同行報(bào)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(duì)現(xiàn)有工藝條件對(duì)亞閾值擺幅的限制，黃芊芊和同伴們提出了一個(gè)新機(jī)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(shí)現(xiàn)陡峭的帶帶隧穿結(jié)，進(jìn)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(shì)結(jié)合起來(lái)，進(jìn)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(chǎng)效應(yīng)晶體管，在室溫下打破了國(guó)際上硅基隧穿器件的亞閾值擺幅紀(jì)錄，器件綜合性能為國(guó)際報(bào)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(shí)驗(yàn)室做出隧穿場(chǎng)效應(yīng)晶體管，只是萬(wàn)里長(zhǎng)征的第一步。這個(gè)東西最終能不能成，還得在大生產(chǎn)線上做出來(lái)才行。

　　從2012年開(kāi)始，黃芊芊與國(guó)內(nèi)某頂尖集成電路制造商（以下簡(jiǎn)稱CMC）合作，把在學(xué)校里研發(fā)的超低功耗隧穿場(chǎng)效應(yīng)晶體管，拿到北京亦莊的生產(chǎn)線上去做。

　　隧穿場(chǎng)效應(yīng)晶體管這個(gè)技術(shù)從結(jié)構(gòu)上看似不復(fù)雜，但在國(guó)際工業(yè)界，仍未能采用標(biāo)準(zhǔn)工藝生產(chǎn)線制造出性能優(yōu)異的隧穿器件。“上產(chǎn)線到底行不行？”從北大到亦莊有一個(gè)多小時(shí)的車程，坐在車?yán)铮�黃芊芊一邊忍受著頭暈帶來(lái)的不適，一邊心里犯嘀咕。

　　在與CMC的技術(shù)團(tuán)隊(duì)反復(fù)交流討論之后，她對(duì)原有的標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)線工藝做了一些初步的設(shè)計(jì)調(diào)整，進(jìn)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(wèn)題從頭到尾梳理了幾遍，然后重新評(píng)估：設(shè)計(jì)上哪些細(xì)節(jié)還需要調(diào)整，工藝上哪個(gè)環(huán)節(jié)還應(yīng)該優(yōu)化……找到癥結(jié)所在后，她又對(duì)方案逐一修改、優(yōu)化、改進(jìn)。

　　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(gè)基于12英寸現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝平臺(tái)的互補(bǔ)隧穿集成技術(shù)：在同一硅晶圓片上同時(shí)實(shí)現(xiàn)了性能優(yōu)異的互補(bǔ)隧穿器件和標(biāo)準(zhǔn)CMOS器件的制備，隧穿器件的亞閾值擺幅在國(guó)際上基于制造廠商工藝的同類報(bào)道中首次實(shí)現(xiàn)低于60mV/dec，靜態(tài)功耗比同尺寸MOSFET器件低3個(gè)數(shù)量級(jí)。

　　但是，從這一步到最終的目標(biāo)仍有一定距離，還要面臨優(yōu)化工藝、解決良率等一系列問(wèn)題。2015年—2017年做博士后期間，黃芊芊再接再厲，一門(mén)心思破解器件在產(chǎn)線上的漲落和可靠性等關(guān)鍵問(wèn)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(tuán)隊(duì)聯(lián)合申請(qǐng)了一項(xiàng)國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目，朝著實(shí)現(xiàn)高可靠超低功耗晶體管技術(shù)產(chǎn)業(yè)化的目標(biāo)繼續(xù)行進(jìn)。

　　“目前進(jìn)展還不錯(cuò)，隧穿器件的電流開(kāi)關(guān)比做到了業(yè)界國(guó)際領(lǐng)先，我覺(jué)得有望在未來(lái)幾年內(nèi)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。”黃芊芊說(shuō)。

　　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(gè)研究領(lǐng)域跋涉了13年。

　　記者忍不住問(wèn)她：“你為什么能一條道走到黑、堅(jiān)持這么長(zhǎng)時(shí)間？”

　　“就是覺(jué)得這個(gè)事情有意義。”黃芊芊說(shuō)，從學(xué)界到產(chǎn)業(yè)界，現(xiàn)在還能堅(jiān)持在硅基隧穿晶體管上做研究的，已經(jīng)很少了。“因?yàn)槲覀円婚_(kāi)始就是朝著產(chǎn)業(yè)化的方向做，所以能一直堅(jiān)持下來(lái)，不然可能干個(gè)幾年就要換方向了。”

　　“你在接手這個(gè)課題的時(shí)候，有沒(méi)有想過(guò)其中的困難？”

　　“說(shuō)實(shí)話，我沒(méi)想過(guò)困難不困難的。”黃芊芊坦陳，“我就是大概知道我要干嗎，其他的事情沒(méi)怎么去想。但是當(dāng)你真的要走到那兒的時(shí)候就會(huì)知道：這是多么不容易的事兒。”

　　“我知道它很難，但我也不會(huì)對(duì)未來(lái)想特別多，讓自己焦慮或者怎樣。”她的辦法是，把目標(biāo)拆解，一步一步往前推，爭(zhēng)取每次比原來(lái)的自己更進(jìn)步一點(diǎn)。

　　“就像爬珠穆朗瑪峰，如果一開(kāi)始就知道自己肯定上不去，你可能就不會(huì)上了。”黃芊芊說(shuō)，“但我可以先到大本營(yíng)，然后再慢慢往上走。走到半山腰、感覺(jué)自己爬不動(dòng)的時(shí)候，我就會(huì)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(gè)人的生活力之強(qiáng)弱，以能否朝抵抗力最大的路徑為準(zhǔn)，一個(gè)國(guó)家或是一個(gè)民族也是如此。

　　她特別喜歡這句話：“它簡(jiǎn)單質(zhì)樸，沒(méi)有什么華麗的辭藻，卻把做事做人的道理講透了。”

　　《 人民日?qǐng)?bào) 》（ 2022年12月05日 19 版）

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