与时俱进不断革新的集成电路器件与制造——访复旦大学微电子学院副院长周鹏教授_室内照明

近日，HORIBA携手仪器信息网采访了复旦大学微电子学院副院长、国家杰出青年基金获得者周鹏教授。周鹏教授长期从事集成电路新材料、新器件和新工艺的研究，通过引入二维材料，在新器件新工艺方面取得系列成果，

复旦大学是我国最早从事研究和发展微电子技术的单位之一，其微电子学院为国家首批示范性微电子学院，在相关人才教育培训和科研创新方面位居国内前列。近日，HORIBA携手仪器信息网采访了复旦大学微电子学院副院长、国家杰出青年基金获得者周鹏教授。周鹏教授长期从事集成电路新材料、新器件和新工艺的研究，通过引入二维材料，在新器件新工艺方面取得系列成果，近期半年内更是陆续有六项成果在Nature子刊发表。采访中，周鹏教授分享了其最新研究进展，以及对集成电路新技术路径探索的见解。

采访伊始，周鹏教授首先回顾了复旦大学标志性的微电子学科的发展历史。1958年，谢希德先生在复旦大学创办半导体物理专业。2013年，复旦大学建立微电子学院，作为学校新工科建设的试点先试先行，学院经过近十年的发展，围绕国家重大发展的策略需求，建设了系列国家级、省部级平台。平台主要聚焦设计和工艺两方面，针对我国集成电路面临的卡脖子技术，通过系列原创性技术创新、对产业界一些推动性技术转让等措施，推进解决我国集成电路面临的卡脖子技术难题及人才教育培训工作。

时代使命背景下周鹏教授多年来潜心聚焦于集成电路新材料、新器件和新工艺的研究。周鹏教授表示，其团队研究方向设立主要希望能够对接国家重大需求，解决国家急需和集成电路产业界问题等。当前，硅基材料主导的半导体产业下，随着制程的持续不断的发展，硅基材料开始不断面临一系列新的技术挑战。未解决这些新的问题，周鹏教授团队选择的切入点聚焦在二维材料上，主要从两个方向展开研究：一是基于两种材料的共性，利用二维材料的“风洞实验”，为硅基材料探索新路径；二是基于二维材料的独特性质，探索硅基材料无法达到的一些新路径。

硅是目前集成电路的主要载体，然而，昂贵的工艺流程限制了创新性器件的设计与研发，使得新的器件和结构很难真正在产业中应用，而常规的硅器件结构及系统已不足以满足制程逐步发展的新需求。此背景下，周鹏团队便将目光投向了物性更丰富、性质更多元的二维材料，以二维材料构筑新器件进而展开相关实验，充当“风洞实验”的角色，为硅找寻尝试解决当前集成密度与能耗等难题的方案，帮助硅材料发掘新的技术路径。

周鹏教授表示，二维原子晶体在集成电路中的应用实验过程中，器件性能主要受到三个因素制约：即迁移率、接触电阻、界面。这一些因素如何表征评价，背后科学仪器技术的作用至关重要。据周鹏教授介绍，器件性能的表征手段较为广泛，其中光谱学是较为重要的一类，比如实验室常用到的HORIBA拉曼光谱仪、HORIBA椭偏仪等。同时，一些破坏性的形貌结构表征、迁移率等参数的表征，还会用到电镜、原子力显微镜、电子测量等仪器设备。

除了能担当 “风洞实验”角色，二维材料本身也具备多种独质，基于此，周鹏教授开展了第二个研究方向——为“硅”所不能，进行一些新路径的研究。近来，周鹏教授团队的“全在一”二维视网膜硬件器件的突破性成果就是一个案例。

周鹏教授团队与中科院上海技术物理研究所胡伟达研究员合作，巧妙地运用新型神经网络概念打造出了动态感存算一体化、可实现人类视觉完整功能的“全在一”器件，首次得以在时间尺度上进行图像处理，实现运动探测与识别。去年11月，相关成果《面向运动探测识别的“全在一”二维视网膜硬件器件》发表在国际顶尖期刊《自然·纳米技术》。

“我们希望用二维原子晶体实现一些用硅基或传统材料没办法实现的尝试，此次提出的全在一器件就是类似于这样一个尝试，我们把感知、存储、计算放在一个器件上，达到在一个器件水平上实现。感存算一体是当前的一个研究热点，但大部分感存算一体是一个系统集的实现。我们则在单器件上利用了二维半导体的一些本征特性。这项成果有着广阔的应用前景，我们最近也在酝酿一些它的应用落地。”周鹏教授介绍说。

关于“全在一”器件的应用落地，周鹏教授表示，“全在一”器件可以大范围的应用于人脸识别、无人驾驶、国防安全等很多领域，但应用科学从一个新概念的提出到真正的应用往往要比较长的时间。在解决了科学问题后，还要适应市场需求。结合这一些因素，这项技术预估在三到五年后能轻松实现初步应用。

周鹏教授补充道，集成电路技术的发展历史是不断引进新材料的过程，从最早几十种元素到现在几乎用遍了整个元素周期表的元素，集成电路发展本身不排斥新材料，但二维原子晶体之所以还没有进入产线、实现真正的应用，主要受两个市场因素制约。一是成本；二是整体配套的调整。但另一方面，若引入新材料带来的优势远超过这一些因素的价值时，未来应用将是不可阻挡的趋势。

周鹏教授表示，“假如没有充分的热爱，科研其实是一个很痛苦的事情，因为科研过程大部分时候都是在失败或试错中度过。而且有时自己的工作成果，并不能被别人直接认可。在这样的一个过程中，青年科学工作者要有自信，因为并不是被别人否定，就代表你的想法是错的。某些时候，也许你的一些新的想法，别人一时还没能理解，所以我们要争取说服他，为自己争取更多的机会。另外，如果你对科研本身没有好奇，只是把它当成一个工作来做，往往很难做出很好的成果。”

长期致力于后摩尔时代集成电路器件、工艺与系统的研究，发明了高速与非易失兼得的新型存储技术；实现了新机制高面积效率单晶体管逻辑与动态图像处理系统；获得了高性能神经形态计算器件以及红外感存算一体验证性芯片。主持了国家重大专项、重点研发计划、自然科学基金、上海市科学技术创新重点项目等。在Nature Nanotechnology，Nature Electronics， Advanced Materials，IEEE Electron Device Letters等发表第一作者及通信作者论文200余篇。组织和受邀国内外学术会议40余次，包括Nature Conference Keynote报告以及中美华人纳米会议邀请报告。担任中国真空学会常务理事，中国物理学会半导体专业委员会委员，Infomat副主编，十四五重点研发计划总体组专家等。