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劉淵:做出理想的半導體器件,讓挑戰摩爾定律迎來曙光

2019 年 12 月 14 日,《麻省理工科技評論》公布了 2019 年“35 歲以下創新35 人”(Innovators Under 35 China)中國區榜單。在本屆榜單上,雖然缺失了“創業家”的身影,但是我們看到了許多在具有產業化潛能的領域方面堅持科研使命的獲獎人,也看到更多散布在海外頂尖學術機構的科學家們,用自身不改初心的堅持努力,取得了世界級標竿成就的科研成果,其中有超過半數以上的獲獎者,都取得了世界級的突破性研究成果與發現。我們將陸續發出對 35 位獲獎者的獨家專訪,介紹他們的科技創新成果與經驗,以及他們對科技趨勢的理解與判斷。

關於 Innovators Under 35 China 榜單

自 1999 年起,《麻省理工科技評論》每年都會推出“35歲以下創新35人”(Innovators Under 35 China)榜單,旨在於全球範圍內評選出被認為最有才華、最具創新精神,以及最有可能改變世界的 35 位年輕技術創新者或企業家,共分為發明家、創業家、遠見者、人文關懷者及先鋒者五類。2017 年,該榜單正式推出中國區評選,遴選中國籍的青年科技創新者。新一屆 2020 年度榜單正在征集提名與報名,截止時間 2020 年 6 月 30 日。詳情請見文末。

劉淵

先鋒者

劉淵憑借其在半導體器件領域取得的一系列成果,榮膺2019 年《麻省理工科技評論》“35 歲以下科技創新 35 人”中國區得主。

獲獎時年齡:31 歲

獲獎時職位:湖南大學教授

獲獎理由:他要做出理想的半導體器件,讓挑戰摩爾定律迎來曙光。

大約從 2000 年起,商用計算機的主頻便停滯不前。摩爾定律已逼近極限:伴隨電子器件縮小,溝道長度也縮短到十納米級別,短溝道效應更加顯著。如何製造出更優性能與更低功耗的電子器件,成為後摩爾時代,全球半導體市場的共同關注。

劉淵開發出一種製備金屬-半導體結的新技術,有助於提高晶體管性能。此外,他在實驗上獲得了接近肖特基-莫特定律的二極管,這一定律指導半導體產業發展多年,卻很難實現。

要理解劉淵的研究,需要先了解晶體管金屬接觸製作的難處。在晶體管中,金屬和半導體之間的界面會形成肖特基勢壘,勢壘高度取決於金屬功函數和半導體能量之差。這在上世紀 30年代被總結為肖特基-莫特定律,長期指導半導體器件的設計與發展。

而遺憾的是,肖特基-莫特定律很難在實驗上驗證。關鍵在於,傳統製作金屬-半導體異質結,是利用具有懸掛鍵的三維半導體材料,因而會有難以克服的半導體表面態。此外,傳統金屬集成的工藝也大多依賴於高溫的化學反應或者高能的物理轟擊。如此一來,半導體的表面被這一高能量的集成工藝破壞,形成了界面態與強烈的費米能級釘扎效應(費米能量固定在某一值附近)。

2004 年,科學家從石墨上用膠帶剝離出石墨烯,給這一研究帶來曙光。石墨烯是一種單原子層的二維材料,同層原子之內通過化學鍵連接牢固,層間卻只靠微弱的范德華力連接。電子器件研究者猜測:也許能通過范德華力連接兩層半導體,而非用傳統的摻雜方式?

如此做出的半導體之間的異質結,便被稱為“范德華異質結”。劉淵提出了在金屬-半導體間,構建這種“范德華異質結”的方法:先將金屬預製備在犧牲基底上,然後剝離金屬,物理的貼合在層狀半導體表面。如此一來,半導體本征的表面態與製備過程中引起的界面態可以被同時抑製,從而獲得了接近肖特基-莫特極限的二極管。

而肖特基-莫特定律預測:肖特基勢壘受金屬功函數影響。因此劉淵選用不同的金屬,觀察功函數與肖特基勢壘變化,便能獲得接近肖特基-莫特定律的器件。此前,雖然有世界各地的團隊做過類似研究,但主要是針對半金屬石墨烯與層狀半導體之間的異質結。而石墨烯功函數可調性相對較弱,無法成為變量探索物理規律。

圖 | 劉淵在頒獎典禮上做演講(來源:DeepTech)

在開發出范德華金屬-半導體二極管後,論文發表在《自然》雜誌,劉淵為第一作者,入選 ESI(基本科學指標數據庫)熱點文章,引用率達到前 0.1%,被 10 余家國內外媒體報導。

事實上,范德華異質構建的全新半導體器件引起了全世界電子研究者的廣泛興趣。為何劉淵的研究具有獨創性?他解釋道:可能此前研究者更多的認為是層狀半導體本征性能不夠好,從而通過尋找新材料解決問題。而大家往往忽視了金屬集成過程對層狀半導體性能的影響。即使意識到,也很難實現將金屬從犧牲基底剝離。

2016 年,劉淵成功從犧牲基底上剝離多種功函數金屬,成為將范德華集成方法從二維半金屬拓展到三維金屬上的重要節點。而研究剝離中用什麽溫度、什麽角度、何種技術,乃至如何實現物理剝離,如何溶解包裹物,又花費了更多時間進一步開發。

對此中的過程,劉淵表示已很難回憶出細節。因為怕樣品的不穩定性,他需要迅速封裝開始下一步,因此吃飯、休息經常需要與機器同步。每一台儀器也需要多次調試甚至拆裝,才能獲得最優的真空度、蒸鍍、剝離參數。而每次實驗周期為一兩周,動輒幾十個流程。劉淵說,他“在多年的研究生活中,基本每天都在失敗,已經成為常態,很難產生成功的喜悅”。

一但成功,這種集成方法就可以應用到多種之前受限於金屬半導體接觸的電子器件上。這套范德華異質集成的方法,能夠運用在更多材料,以及與它們的不同組合、轉角、順序上,有希望代替石墨烯成為一種更加通用的冷集成電極方法。未來,劉淵打算重點研究三五族半導體器件,它們的電學、光電性能可能比矽更好。

在產業化方面,這種新型的製備方法在成品率以及與矽基器件的兼容性上還需進一步提高,應用還要假以時日。但劉淵在“柔性電子”領域已與業界領頭公司合作開發出了新型柔性電極,可以植入生物體內做透皮給藥,或采集生物電信號和力信號等

在這一領域的應用,也與范德華異質集成息息相關。傳統的金屬-半導體界面,一旦拉伸就被破壞;而應用范德華異質集成,金屬和半導體層可以相對滑動,接觸的性能不受滑動影響。“別人是把材料做柔性,我們是在器件結構方面做柔性。”劉淵說,現在柔性器件的金屬電極需要工廠高真空與高溫生產,但未來這些電極也許可以通過預製備在常溫下用家用 3D 印表機製作。

目前,劉淵在電子器件領域發表論文 70 余篇,包括《自然》5 篇、子刊 10 余篇、被引用 8000 余次,並於 2018, 2019 年入選科睿唯安全球高被引學者。

可以說,在劉淵的科研生涯中,最重要的選擇是決定“科研”與決定“回國”。2015 年從加州大學洛杉磯分校(UCLA)博士畢業時,他沒有選擇矽谷的半導體大廠,而是留在學術界進行博士後研究。2017 年,他又離開美國,回國在湖南大學擔任物理微電子學院教授。“這兩個選擇在器件領域的留學生中都略顯另類,畢竟做電子器件領域留在美國發展更好。”

劉淵表示,他希望在國內多培養一批學生,讓他們掌握半導體器件的製造思路和工藝。他解釋道,電子器件是基礎與底層研究,反饋周期長,大多時間都在枯燥的摸索與失敗中度過。“我們需要一步一步走過去,也許基礎研究的方向很難應用,但半導體技術傳遞到很多人上,也許能產生更大的貢獻。”

劉淵在頒獎典禮上的演講

-End-

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