王凱：后摩爾時代微電子領(lǐng)域的“尋寶人”

□ 李 剛

專家簡介：

王凱，中山大學電子與信息工程學院教授，美國卡內(nèi)基梅隆大學電子與計算機工程系兼職教授，博士生導師，廣東順德中山大學卡內(nèi)基梅隆大學國際聯(lián)合研究院教授，研究員。2000年7月畢業(yè)于華中科技大學獲學士學位，2003年7月畢業(yè)于大連理工大學獲碩士學位，2008年5月畢業(yè)于加拿大滑鐵盧大學，獲電子與計算機工程學博士學位。同年，獲得加拿大國家自然科學與工程研究協(xié)會博士后基金，加入加拿大Thunder Bay健康醫(yī)學中心，主持及參與了X射線成像探測器、生物醫(yī)學成像器件和傳感技術(shù)等多個研究項目。2011年7月，作為高級硬件研發(fā)工程師加入蘋果公司（美國），從事觸控和人機界面產(chǎn)品研究工作，并深度參與了iPhone、iPad和iMac等系列產(chǎn)品的開發(fā)。2013年12月，加入中山大學，專門從事生物醫(yī)學成像器件、生物傳感器和執(zhí)行器以及大面積電子學方面的教學和研究工作。目前，已經(jīng)在國際學術(shù)期刊上發(fā)表論文30篇、國際會議論文30余篇；申請發(fā)明專利20項，授權(quán)9項。曾擔任IEEE／OSA Journal of Display Technology編委。

1965年，英特爾創(chuàng)始人之一戈登·摩爾將他觀察的結(jié)果發(fā)表在當年第35期《電子》雜志上，在文章里，摩爾天才地預言道：集成電路上被集成的晶體管數(shù)目，將會以每18個月翻一番的速度穩(wěn)定增長，并在今后數(shù)十年內(nèi)保持著這種勢頭。摩爾所做的這個預言，雖然只有3頁紙的篇幅，但卻是迄今為止半導體歷史上最具意義的論文。該言論被人譽為“摩爾定律”。長期以來這一定律成為電子制造產(chǎn)業(yè)鏈的“金科玉律”，并使計算機的發(fā)展成為一列停不下來的火車。

然而，在計算機體積小型化日趨極端的今天，處理器芯片的物理空間即將被壓榨殆盡，這一“金科玉律”該走向何處，才能夠持續(xù)不斷地提高計算機的性能？延續(xù)摩爾定律與超越摩爾定律是摩爾定律走出困境的出路。中山大學電信學院教授王凱，一直在超越摩爾定律領(lǐng)域探索。他說，未來是以大數(shù)據(jù)、云計算和人工智能為代表的數(shù)據(jù)時代。那么身處數(shù)據(jù)時代，數(shù)據(jù)從哪里來？這得需要先進的傳感器件與設(shè)備去采集數(shù)據(jù)。現(xiàn)在他主要的研究工作就是設(shè)計一些這樣的器件，再到傳感成像、人工智能等領(lǐng)域進行應用。同時，這也是超越摩爾定律的殺手锏。

從工業(yè)界轉(zhuǎn)戰(zhàn)學術(shù)界

“我是學工科出身的，選擇中山大學，主要是因為珠三角這個地方有雄厚的產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)，即使內(nèi)地有高校給我提供100萬的年薪，我也未必會去，因為沒有產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)，就相當于沒有土壤讓你發(fā)展。”王凱如是解釋當初回國加盟中山大學的原因。

作為留學歸國人員，王凱2013年末入職中山大學，回國之前他曾分別在加拿大Thunder Bay健康科學中心和美國蘋果公司工作。對王凱來說，平臺是施展才能的基礎(chǔ)，只有平臺夠?qū)拸V，才能使自己的價值得到最大限度的發(fā)揮。中山大學有雄厚的科研條件，又地處珠江三角洲，有強大的產(chǎn)業(yè)集群，所以，這里是他人生舞臺的最佳選擇。

海闊憑魚躍，天高任鳥飛。從加入中山大學開始，王凱就專門從事生物醫(yī)學成像器件、生物傳感器和執(zhí)行器以及大面積電子學方面的教學和研究工作，對超越摩爾定律進行無止境的探索。而此前在國外工作期間，始終追求卓越的王凱，早已積淀豐厚。

博士畢業(yè)后，王凱加入加拿大Thunder Bay健康科學中心，主持并參與了X射線成像探測器、生物醫(yī)學成像器件和傳感技術(shù)等多個研究項目，首次提出了利用橫向光電導器件配合薄膜晶體管實現(xiàn)數(shù)字平板X射線成像的理念，并結(jié)合在薄膜電子器件領(lǐng)域的知識和經(jīng)驗，提出了合理的制備工藝和系統(tǒng)集成方案，成功設(shè)計和制備了世界上第一個利用橫向光電導器件進行間接X射線探測的成像陣列。該成果被Medical Physics Web（IOP醫(yī)學物理專業(yè)門戶網(wǎng)站）報道，并受到了業(yè)界廣泛關(guān)注，被認為是當今數(shù)字平板X射線探測器領(lǐng)域的3大主要技術(shù)之一，2013年該成果已經(jīng)實現(xiàn)了技術(shù)轉(zhuǎn)移，成為加拿大KA Imaging公司的探測器核心技術(shù)之一。作為一名工程師，王凱在鉆研基礎(chǔ)理論解決科學問題的同時，還對產(chǎn)品的開發(fā)傾注了極大的熱情。在美國蘋果公司總部擔任高級研發(fā)工程師期間，王凱主持及參與了多點電容式觸摸屏和iMac保護玻璃用多層抗反射薄膜等項目，申請多項發(fā)明專利，兩次獲得蘋果公司專利申請獎。

在數(shù)字平板X射線成像、信息顯示和觸控、生物醫(yī)學傳感器等領(lǐng)域積累了極為豐富的研究經(jīng)驗和工業(yè)界經(jīng)驗之后，王凱來到中山大學，又站在了新的起點上，從“零”開始，再度出發(fā)。通過不斷探索，他和研究團隊首次提出了雙柵極光電薄膜晶體管“智能”像素的概念。他告訴記者，這一研究將降低X射線對于病人尤其是兒童和嬰幼兒群體的輻射致癌風險，成為低劑量數(shù)字X射線成像研究領(lǐng)域的新突破。現(xiàn)在，他和團隊正與工業(yè)界合作，為使該項研究成果“落地開花”而努力。

開拓像素新天地

像素不僅僅只是負責顯示，未來，它還可以讓人們在進行X光、C T成像時，接受的輻射量大大減少；還可以讓手機不需要額外安置獨立的光學指紋傳感器，也不需要執(zhí)行特殊的掃描指紋動作，直接按屏幕就能完成解鎖。這些新技術(shù)領(lǐng)域，便是王凱與團隊正在探索的方向。

團隊參加首屆高校高科技成果交易會

他說，自倫琴發(fā)現(xiàn)X射線以來，X射線放射影像已經(jīng)成為疾病診斷的重要工具之一。經(jīng)過一個多世紀的發(fā)展，X射線經(jīng)歷了由膠片到數(shù)字成像的演變。如今，非晶硅數(shù)字平板X射線探測器已成為放射影像技術(shù)領(lǐng)域最重要的研究方向之一。而在數(shù)字X射線成像系統(tǒng)中，像素是其最基本的構(gòu)成單元。目前，無論是無源還是有源像素技術(shù)，其電路均采用信號感應、信號存儲及信號讀取三元分立的設(shè)計。這種設(shè)計雖增加了像素面積，但降低了像素的分辨率。

“目前國內(nèi)外所有像素架構(gòu)無一例外地采用了信號采集、儲存和讀取彼此獨立的設(shè)計，這種設(shè)計既需要較大像素面積，又不利于信號有效傳輸。然而迄今為止，還沒有出現(xiàn)一種將三者集成在一起的像素設(shè)計。同時，至今也沒有一種兼顧有源和無源像素技術(shù)優(yōu)點同時克服兩者缺點的像素設(shè)計。”王凱如是說。

為解決X射線放射影像的技術(shù)痛點，王凱團隊以像素技術(shù)為突破口，在國際上首次提出利用雙柵極光電薄膜晶體管這一新穎的光電感應器件進行間接X射線探測的技術(shù)，并得到了國家科學自然基金面上項目和科技部重點研發(fā)計劃的支持。國家科學自然基金面上項目“用于低劑量X射線成像的雙柵極光電薄膜晶體管‘智能’像素的研究”以及2016年立項的科技部重點研發(fā)計劃課題項目便是王凱對其的探索。該技術(shù)的核心是將傳統(tǒng)像素里的信號感應、存儲和讀取三者集成在一個雙柵極光電薄膜晶體管中。

由單個雙柵極光電薄膜晶體管構(gòu)成的像素被王凱稱為“智能”像素。“智能”像素具有諸多優(yōu)點，包括簡化像素電路、節(jié)省像素空間、提高分辨率、簡化制備工藝以及降低生產(chǎn)成本等。尤為重要的是，它還可以利用自身的信號放大功能，實現(xiàn)單一薄膜晶體管的有源像素技術(shù)，為研究和開發(fā)低劑量和高靈敏度X射線成像系統(tǒng)奠定基礎(chǔ)，對降低病人尤其是兒童輻射致癌風險具有深遠的意義。

在項目研究中，王凱團隊在傳統(tǒng)雙柵極薄膜晶體管的基礎(chǔ)上，對器件結(jié)構(gòu)和制備工藝進行了重新設(shè)計，以期實現(xiàn)開關(guān)、光電感應和信號放大等多種功能。“以往的研究還表明，非晶硅雙柵極薄膜晶體管具有比單柵極薄膜晶體管更好的電學穩(wěn)定性，可以克服或緩解非晶硅薄膜晶體管自身嚴重的不穩(wěn)定性問題。因此，該項目研究的目的恰恰是為了探索具有光電感應功能的非晶硅雙柵極薄膜晶體管在低劑量X射線成像領(lǐng)域的應用潛力，為低劑量X射線成像提供一個全新的有源像素解決方案，為我國自主研發(fā)高性能和低劑量的新型數(shù)字平板X射線成像系統(tǒng)作出貢獻。”王凱說。

在超越摩爾定律里“尋寶”

有人說，做科研就像海灘尋寶。如果你撿貝殼，那你一輩子就停留在這樣一個高度。如果你找準了地方，深挖下去就能撿到珍珠。

對王凱來說，用超越摩爾定律對電子器件進行探索，就是在沙地里尋找到的珍珠。在他看來，在大數(shù)據(jù)蓬勃發(fā)展的時代下，超越摩爾定律電子器件應用尚待開發(fā)，有著廣闊的應用前景。他要搭乘時代發(fā)展的快速列車，為自己的研究領(lǐng)域開拓一片嶄新的天地。因此，在“用于低劑量X射線成像的雙柵極光電薄膜晶體管‘智能’像素的研究”項目之上，王凱又申請了另一國家自然科學基金項目“有源混合集成薄膜電子器件及其在超越摩爾定律微電子中的應用研究”。

微電子學現(xiàn)已步入后摩爾時代，以成像器件、傳感器、生物芯片和類神經(jīng)形態(tài)器件等為代表的超越摩爾定律微電子是后摩爾時代微電子學的兩個重要研究方向。王凱說，超越摩爾定律微電子器件大多是模擬器件，關(guān)注的是人與環(huán)境交互的一系列應用，比如傳感器、IOTs、機器人和人工智能。他相信，未來這方面的需求量巨大。然而，如何滿足多樣化的應用需求，實現(xiàn)低功耗、低成本、大規(guī)模制備工藝和混合集成等阻礙是其發(fā)展的一大挑戰(zhàn)。

目前，多數(shù)的超越摩爾定律器件是基于CMOS技術(shù)或是MEMS技術(shù)的有源混合集成器件。這些器件一般先通過分立的元件或電路實現(xiàn)，如傳感、開關(guān)等功能單元，然后再通過系統(tǒng)級封裝形成一個系統(tǒng)。隨著未來對超越摩爾定律器件的海量需求，無論是CMOS技術(shù)還是MEMS技術(shù)，在產(chǎn)能、成本和工藝兼容性方面都面臨著巨大的挑戰(zhàn)，而薄膜晶體管技術(shù)則有望成為解決這一問題的“利劍”。

王凱說“薄膜晶體管在信息顯示領(lǐng)域已經(jīng)得到了十分廣泛的應用，然而其在超越摩爾定律微電子的應用上還有待開發(fā)。因此，研究基于薄膜晶體管技術(shù)的有源混合集成薄膜器件并拓展其在超越摩爾定律微電子中的應用具有十分重要的意義”。而要實現(xiàn)薄膜晶體管技術(shù)在超越摩爾定律微電子的應用上，他說，必須在器件結(jié)構(gòu)和工作原理上進行創(chuàng)新。因而，在項目研究中，王凱提出基于三維結(jié)構(gòu)場耦合雙柵薄膜晶體管的有源混合集成器件，并試圖從結(jié)構(gòu)、物理和工藝以及應用3個層面的研究來解決上述關(guān)鍵共性問題，拓展薄膜晶體管技術(shù)在超越摩爾定律微電子領(lǐng)域的應用。

在展開該項目研究之前，王凱在集成薄膜器件研究中進行了深入研究，分別設(shè)計了三維溝道結(jié)構(gòu)雙柵薄膜晶體管與三維立體結(jié)構(gòu)雙柵薄膜晶體管，并建立了場耦合雙柵薄膜晶體管的器件物理模型和等效電路模型等，以這些研究成果為積淀，王凱說，項目還可探索其在可穿戴電子領(lǐng)域的作用。

博學不窮，篤行不倦。王凱在教學上也用心付出。在學生培養(yǎng)上，他說，要以“興趣”為先導，以“動手”為重點，讓學生實實在在去做事，讓他們在做的過程中不但要知其然，更要知其所以然。付出終會有收獲。在王凱的指導下，2017年他的學生在中國機器人及人工智能大賽中斬獲“機器人創(chuàng)新比賽”項目一等獎。

在采訪中，談到對高校的評價體系上，王凱也發(fā)表了自己的看法。在他看來，高校的學術(shù)評價體系也因應時而變。對于不同的學科應該有一個多樣性的人才評價標準。這樣也許會營造出更加自由、良好的學術(shù)氛圍。

過往的經(jīng)歷都會成為前進途中的一筆財富。在美國蘋果公司從事產(chǎn)品開發(fā)的經(jīng)歷，現(xiàn)在也成為王凱的一筆巨大財富。學術(shù)界和工業(yè)界的雙重背景使王凱對產(chǎn)學研轉(zhuǎn)化和技術(shù)轉(zhuǎn)移有了更深的認識。他說：“從做產(chǎn)品回歸到學術(shù)研究，讓我對項目的選擇更‘直截了當’了。在選擇項目的時候，我會更多地考慮技術(shù)的應用前景，以及產(chǎn)業(yè)化的實現(xiàn)難度，不會為了研究而研究。很多研究不需要去隨波逐流，每個領(lǐng)域都是一座金礦，都值得去開發(fā)。”現(xiàn)在，王凱在最初選擇的“舞臺上”，踐行初心，在新的時代下，他將以最飽滿的熱情最昂揚的姿態(tài)在超越摩爾定律中勇往直前。