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

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，在相关人才培养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。

复旦大学微电子学院副院长周鹏教授

时代使命：对接国家集成电路重大需求 基于原始创新培育人才

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程。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，围绕国家重大发展战略需求，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培养工作。

复旦大学双子楼

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，随着制程的不断发展，硅基材料开始不断面临一系列新的技术挑战。为了解决这些新的问题，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。

复旦大学微电子楼一角

殊途同归：二维材料 “风洞实验” 为传统硅材料探索道路

二维半导体平台充当“风洞实验”

风洞实验指在风洞中安置飞行器或其他物体模型，研究气体流动及其与模型的相互作用，以了解实际飞行器或其他物体的空气动力学特性的一种空气动力实验方法，具有安全、效率高、成本低等优点。而周鹏教授引入新材料研究的第一个方向便是以二维材料充当“风洞实验”的角色，为传统硅材料探索新道路。

实验状态下的实验室一角

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无法满足制程进一步发展的新需求。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。

周鹏教授举例道，由于硅基与二维材料在应用中所遵循的物理定律是一致的，利用二维原子晶体提出一些新的器件，如果有更高性能或更低能耗，然后把材料载体换成硅，往往也能达到优化的效果，这便帮硅探索到一些新的路径。

三因素影响集成电路新器件性能提升 光谱学等为主要表征技术

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比较广泛，其中光谱学是比较重要的一类，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。

实验室表征仪器一角：HORIBA拉曼光谱仪、椭偏仪

为“硅”所不能：二维材料“全在一”器件获突破

除了可以担当 “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。

“全在一”器件：仿人类视网膜的运动探测器问世

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》。

“全在一”二维视网膜硬件器件

“我们希望用二维原子晶体实现一些用硅基或传统材料无法实现的尝试，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。

集成电路引入新材料之路：从研究到产业化需经历市场考验

关于“全在一”器件的应用落地，周鹏教授表示，“全在一”器件可以广泛应用于人脸识别、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需要较长的时间。在解决了科学问题后，还要适应市场需求。结合这些因素，这项技术预估在三到五年后可以实现初步应用。

周鹏教授补充道，集成电路技术的发展历程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些因素的价值时，未来应用将是不可阻挡的趋势。

传道授业：保护原创力 保持热爱、自信、好奇心  

人才培养：发挥学生主观能动性，保护原创性

集成电路产业归根到底是人才的竞争，而我国在半导体领域的人才相对不足。作为国家集成电路创新技术发展第一梯队高校，复旦大学也承担着为国内集成电路培育人才的重要角色。

周鹏教授团队

周鹏教授团队十七年来深耕集成电路新型器件和系统研究领域，成果丰硕，仅2021年下半年，就有六项成果接连在Nature Electronics、Nature Nanotechnology、Nature Communications等Nature子刊发表。

对于科研团队建设和学生的培养，周鹏教授认为，教学科研是一个教学相长的过程，团队十分重视平等交流讨论的学术氛围，同时鼓励大家在学术上积极的碰撞，以保护学生原创能力。同时，团队会充分发挥学生的主观能动性，以期每个人都有机会把自己的想法呈现出来，激发大家的创新能力。

致科研后浪建议：热爱、自信、好奇心

对于从事科研的青年科学工作者，周鹏教授认为，青年科研工作者对科研的热爱、自信以及好奇心等是不可缺少的科研品质。

周鹏教授表示，“如果没有充分的热爱，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。”

后记

二维原子晶体作为集成电路引入的新材料，在原创技术探索方面仍有很多的可能性。虽然我国在技术节点上相对落后，而周鹏教授团队通过引入二维原子晶体的技术路径，尝试探索实现芯片性能的跨越。从某种程度上讲，这或将成为帮助我国发展集成电路产业的一个有效路径。

人物介绍

周鹏，教授，博士生导师。复旦大学微电子学院副院长，获2020年上海市青年科技杰出贡献奖和自然科学二等奖。2019年获得国家自然基金委杰出青年资助，入选万人计划领军人才，先后受到科技部中青年创新领军人才、上海市曙光人才计划、国家自然基金委优秀青年基金以及上海市启明星计划资助。

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、上海市科技创新重点项目等。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。