刘渊:做出理想的半导体器件,让挑战摩尔定律迎来曙光 | “35岁以下科技创新35人”中国榜单专栏

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刘渊:做出理想的半导体器件,让挑战摩尔定律迎来曙光 | “35岁以下科技创新35人”中国榜单专栏
麻省理工科技评论 2020-02-17

2020-02-17

刘渊凭借其在半导体器件领域取得的一系列成果,荣膺 2019 年《麻省理工科技评论》“35 岁以下科技创新 35 人”中国区得主
技术 35岁以下科技创新35人
刘渊凭借其在半导体器件领域取得的一系列成果,荣膺 2019 年《麻省理工科技评论》“35 岁以下科技创新 35 人”中国区得主

2019 年 12 月 14 日,《麻省理工科技评论》公布了 2019 年“35 岁以下创新35 人”(Innovators Under 35 China)中国区榜单。在本届榜单上,虽然缺失了“创业家”的身影,但是我们看到了许多在具有产业化潜能的领域方面坚持科研使命的获奖人,也看到更多散布在海外顶尖学术机构的科学家们,用自身不改初心的坚持努力,取得了世界级标竿成就的科研成果,其中有超过半数以上的获奖者,都取得了世界级的突破性研究成果与发现。我们将陆续发出对 35 位获奖者的独家专访,介绍他们的科技创新成果与经验,以及他们对科技趋势的理解与判断。

关于 Innovators Under 35 China 榜单

自 1999 年起,《麻省理工科技评论》每年都会推出“35岁以下创新35人”(Innovators Under 35 China)榜单,旨在于全球范围内评选出被认为最有才华、最具创新精神,以及最有可能改变世界的 35 位年轻技术创新者或企业家,共分为发明家、创业家、远见者、人文关怀者及先锋者五类。2017 年,该榜单正式推出中国区评选,遴选中国籍的青年科技创新者。新一届 2020 年度榜单正在征集提名与报名,截止时间 2020 年 6 月 30 日。详情请见文末。

刘渊:做出理想的半导体器件,让挑战摩尔定律迎来曙光

刘渊

先锋者

刘渊凭借其在半导体器件领域取得的一系列成果,荣膺 2019 年《麻省理工科技评论》“35 岁以下科技创新 35 人”中国区得主。

获奖时年龄:31 岁

获奖时职位:湖南大学教授获奖理由:他要做出理想的半导体器件,让挑战摩尔定律迎来曙光。

大约从 2000 年起,商用计算机的主频便停滞不前。摩尔定律已逼近极限:伴随电子器件缩小,沟道长度也缩短到十纳米级别,短沟道效应更加显著。如何制造出更优性能与更低功耗的电子器件,成为后摩尔时代,全球半导体市场的共同关注。

刘渊开发出一种制备金属-半导体结的新技术,有助于提高晶体管性能。此外,他在实验上获得了接近肖特基-莫特定律的二极管,这一定律指导半导体产业发展多年,却很难实现。

要理解刘渊的研究,需要先了解晶体管金属接触制作的难处。在晶体管中,金属和半导体之间的界面会形成肖特基势垒,势垒高度取决于金属功函数和半导体能量之差。这在上世纪 30年代被总结为肖特基-莫特定律,长期指导半导体器件的设计与发展。

而遗憾的是,肖特基-莫特定律很难在实验上验证。关键在于,传统制作金属-半导体异质结,是利用具有悬挂键的三维半导体材料,因而会有难以克服的半导体表面态。此外,传统金属集成的工艺也大多依赖于高温的化学反应或者高能的物理轰击。如此一来,半导体的表面被这一高能量的集成工艺破坏,形成了界面态与强烈的费米能级钉扎效应(费米能量固定在某一值附近)。

2004 年,科学家从石墨上用胶带剥离出石墨烯,给这一研究带来曙光。石墨烯是一种单原子层的二维材料,同层原子之内通过化学键连接牢固,层间却只靠微弱的范德华力连接。电子器件研究者猜测:也许能通过范德华力连接两层半导体,而非用传统的掺杂方式?

如此做出的半导体之间的异质结,便被称为“范德华异质结”。刘渊提出了在金属-半导体间,构建这种“范德华异质结”的方法:先将金属预制备在牺牲基底上,然后剥离金属,物理的贴合在层状半导体表面。如此一来,半导体本征的表面态与制备过程中引起的界面态可以被同时抑制,从而获得了接近肖特基-莫特极限的二极管。

而肖特基-莫特定律预测:肖特基势垒受金属功函数影响。因此刘渊选用不同的金属,观察功函数与肖特基势垒变化,便能获得接近肖特基-莫特定律的器件。此前,虽然有世界各地的团队做过类似研究,但主要是针对半金属石墨烯与层状半导体之间的异质结。而石墨烯功函数可调性相对较弱,无法成为变量探索物理规律。

刘渊:做出理想的半导体器件,让挑战摩尔定律迎来曙光

图 | 刘渊在颁奖典礼上做演讲(来源:DeepTech)

在开发出范德华金属-半导体二极管后,论文发表在《自然》杂志,刘渊为第一作者,入选 ESI(基本科学指标数据库)热点文章,引用率达到前 0.1%,被 10 余家国内外媒体报道。

事实上,范德华异质构建的全新半导体器件引起了全世界电子研究者的广泛兴趣。为何刘渊的研究具有独创性?他解释道:可能此前研究者更多的认为是层状半导体本征性能不够好,从而通过寻找新材料解决问题。而大家往往忽视了金属集成过程对层状半导体性能的影响。即使意识到,也很难实现将金属从牺牲基底剥离。

2016 年,刘渊成功从牺牲基底上剥离多种功函数金属,成为将范德华集成方法从二维半金属拓展到三维金属上的重要节点。而研究剥离中用什么温度、什么角度、何种技术,乃至如何实现物理剥离,如何溶解包裹物,又花费了更多时间进一步开发。

对此中的过程,刘渊表示已很难回忆出细节。因为怕样品的不稳定性,他需要迅速封装开始下一步,因此吃饭、休息经常需要与机器同步。每一台仪器也需要多次调试甚至拆装,才能获得最优的真空度、蒸镀、剥离参数。而每次实验周期为一两周,动辄几十个流程。刘渊说,他“在多年的研究生活中,基本每天都在失败,已经成为常态,很难产生成功的喜悦”。

一但成功,这种集成方法就可以应用到多种之前受限于金属半导体接触的电子器件上。这套范德华异质集成的方法,能够运用在更多材料,以及与它们的不同组合、转角、顺序上,有希望代替石墨烯成为一种更加通用的冷集成电极方法。未来,刘渊打算重点研究三五族半导体器件,它们的电学、光电性能可能比硅更好。

在产业化方面,这种新型的制备方法在成品率以及与硅基器件的兼容性上还需进一步提高,应用还要假以时日。但刘渊在“柔性电子”领域已与业界领头公司合作开发出了新型柔性电极,可以植入生物体内做透皮给药,或采集生物电信号和力信号等。

在这一领域的应用,也与范德华异质集成息息相关。传统的金属-半导体界面,一旦拉伸就被破坏;而应用范德华异质集成,金属和半导体层可以相对滑动,接触的性能不受滑动影响。“别人是把材料做柔性,我们是在器件结构方面做柔性。”刘渊说,现在柔性器件的金属电极需要工厂高真空与高温生产,但未来这些电极也许可以通过预制备在常温下用家用 3D 打印机制作。

目前,刘渊在电子器件领域发表论文 70 余篇,包括《自然》5 篇、子刊 10 余篇、被引用 8000 余次,并于 2018, 2019 年入选科睿唯安全球高被引学者。

可以说,在刘渊的科研生涯中,最重要的选择是决定“科研”与决定“回国”。2015 年从加州大学洛杉矶分校(UCLA)博士毕业时,他没有选择硅谷的半导体大厂,而是留在学术界进行博士后研究。2017 年,他又离开美国,回国在湖南大学担任物理微电子学院教授。“这两个选择在器件领域的留学生中都略显另类,毕竟做电子器件领域留在美国发展更好。”

刘渊表示,他希望在国内多培养一批学生,让他们掌握半导体器件的制造思路和工艺。他解释道,电子器件是基础与底层研究,反馈周期长,大多时间都在枯燥的摸索与失败中度过。“我们需要一步一步走过去,也许基础研究的方向很难应用,但半导体技术传递到很多人上,也许能产生更大的贡献。”

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