突出困鎖，發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，半導體行業一直按照戈登·摩爾的預測高速發展。然而，隨著硅芯片已逼近物理成本和經濟成本上的極限，芯片工藝制程發展減緩，摩爾定律面臨失效危機。如何抓住后摩爾時代的發展機遇，在半導體芯片產業占據優勢地位，成為各國苦思的問題。

后摩爾時代，無論是繼續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，在綠色環保的無鉛介電、壓（鐵）電氧化物薄膜在半導體基板上的異質外延和人工突觸器件等方面做出了一系列創新性研究。

學以致用，產學研聯動

中國西部科技創新港電子信息科學研究院是西安交通大學在創新港成立的25個研究院之一，鐵性材料與集成器件創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。“創新港建立后，我開始在學校新舊校區兩頭跑。在創新港帶領研究生做科研，在興慶校區給本科生上課。”

“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”全英文版已經在“學堂在線”上線。早在2015年，西安交通大學就首倡發起絲綢之路大學聯盟，聯盟現今成員已經包括38個國家和地區的158所高校。牛剛的課程正是針對這一聯盟。“扎根西部，貢獻‘一帶一路”，是牛剛作為西安交大人的獨特發展規劃。

“個人的發展肯定要與學校的發展緊密結合。中國西部科技創新港是學校給科研人員搭建的產學研平臺，我的科研追求也是產學研聯動，實現成果轉化。”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產生。

2000年，牛剛因成績優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專業。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攻讀博士學位。2010年博士畢業后，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，牛剛卻產生了回國的想法。“我是做信息器件相關研究的，屬于‘卡脖子技術，我覺得還是應該為祖國做這個研究。”回國后，牛剛入選陜西省特聘專家和西安交大青年拔尖人才計劃。基于憶阻器的人工突觸器件、異質外延和集成壓（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化，進而在產業線進行最終檢驗，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內的相關企業進行合作，建立了多個產學研基地。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研究所合作，進行集成器件研究;與企業聯動，進行新產品開發;將研究生送到中科院和企業，校企聯合培養。”在牛剛看來，只有培養出更多科研應用型人才，才能真正推動我國信息器件產業的發展。

牛剛的工作方針十分明確。一手主抓與研究所和企業的合作，從應用端開發課題，以實現成果轉化為目標;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裝置和上海同步輻射光源。“在國外做基礎科研時，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。”利用大真空互聯，可以深入挖掘器件的界面、表面等特性，以及認識其運轉機制;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，發揮高校優勢，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研究所及相關企業緊密合作，為器件集成提供支持，加強產學研合作，已經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展開人工突觸器件相關研究，并取得了一系列創新性成果，頻頻在《電子與電器國際工程師協會·電子器件快報》（IEEE?EDL）、《美國化學學會·應用材料與界面》（ACS?AMI）等期刊發表高水平論文。針對多電導調制的電子突觸器件，課題組重新對材料和器件進行設計和優化，尤其是界面和摻雜調控。課題組還通過材料摻雜與編程脈沖相結合的方法實現高可靠突觸模擬。這些成果對于實現高性能人工突觸器件乃至神經啟發的人工智能芯片具有重要參考價值，部分已經轉化至企業。

國際合作，產出前沿性成果

“進行高水平的科學研究，還得堅持走國際化道路。”在海外多年，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的成果已經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，來訪并聯合培養了1年。對于國內的好苗子，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）簽訂了戰略合作協議，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新型高端國際聯合培養項目。關于高質量無鉛壓電薄膜與硅的異質集成的研究成果就是在這期間產出的。

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

課題組利用相界調控、氧分壓控制和緩沖層等調控方法，成功在半導體襯底上實現了高質量無鉛壓（鐵）電薄膜并實現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;課題組還結合二維材料石墨烯，利用遠程外延實現功能氧化物薄膜的剝離和轉移，在不同襯底上實現材料轉移，在柔性器件應用中的優勢尤為突出;而二硫化鉬-鐵電薄膜混合型器件則能夠實現負電容效應低功耗晶體管和高靈敏寬帶光電探測器。相關成果已經在《自然·通訊》（Nature?Communications）、《美國化學學會·納米》（ACS?Nano）等期刊發表多篇論文，對于異質外延、鐵電物理等基礎研究及發展物聯網等新型技術均具有重要意義。

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合起來，研究新材料、新物理和新器件;立足自身優勢，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，在科研創新中去培養人才;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業突出困鎖。

（責編：王芳）