——记北京大学信息科学技术学院研究员黄芊芊

　　□　李 刚

　　
　　习近平总书记曾对青年说，人生的扣子从一开始就要扣好。如果青年时期就系上、系好、系正了第一颗纽扣，每一个目标、每一个理想、每一份事业都从这一颗纽扣开始，那么今后的人生路就会顺利、就能有所作为。它是人生的一块基石，也是命运的一道闸门。
　　对于黄芊芊来说，踏上科研之路，便是她人生最正确的选择，是引导她人生开拓向前的第一粒纽扣。志之所趋，无远弗届，穷山距海，不能限也。在兴趣与使命的驱动下，她将满腔的热情投入到科研创新工作中，脚踏实地，慢慢将科研理想变为现实。凭借多年来在超低功耗微纳电子新原理器件研究中所取得的优秀成果，黄芊芊入选了全国仅有4人入选的2017年度中国“未来女科学家计划”，成为该奖项设立以来首位微电子领域的青年学者。2018年，黄芊芊所申请的“新型超低功耗微纳电子器件”项目成功获得了国家自然科学基金委员会优秀青年科学基金的资助。
　　漫漫科研路，孜孜探寻心，虽奖励加身，但黄芊芊从未有过一刻懈怠。她深知蓝图不可能一蹴而就，在超低功耗微纳电子器件研究中，她还需倍加努力，创新笃行。
　　

创新笃行，聚焦超低功耗器件基础研究

　　在大多数人看来，黄芊芊的学习生涯可谓是顺风顺水。2006年，她凭借优异的成绩考入了北京大学信息科学技术学院。本科毕业之后，她又师承王阳元院士和黄如院士，取得了北京大学微电子学和固体电子学博士学位，并完成了博士后研究工作。多年来，黄芊芊在科研方面积累前行，特别是在超低功耗微纳电子新原理器件研究中取得了一系列代表性成果。
　　在她的讲述中，记者了解到，随着物联网和智能时代的来临，集成电路技术在科技进步和社会发展中的地位愈加关键，面临的挑战也更加严峻。在人们对更强计算能力和更高集成度的不断追求中，功耗问题成为集成电路乃至信息技术发展的瓶颈问题。特别是在即将到来的万物互联智能时代，物联网、生物医疗、可穿戴设备和人工智能等新兴领域更加追求极低功耗，尤其是极低静态功耗。在上述时代背景和需求的引领下，从基础器件角度，基于新原理的超低功耗超陡摆幅器件技术成为近年来国际前沿研究的热点领域。不同于传统MOS器件的势垒调制机制，量子隧穿原理、负电容原理等新型开关机制可以突破传统器件的亚阈摆幅极限，实现理想或者接近理想的超陡峭开关特性，从而实现超低功耗。
　　在诸多新型超低功耗超陡摆幅器件中，采用量子力学带带隧穿作为导通机制的隧穿场效应晶体管以其超低的泄漏电流、低工作电压、超陡的亚阈摆幅和高工艺兼容性等优点引起了国内外学术界和产业界重视，被国际半导体技术路线图ITRS列为最具潜力的低功耗器件技术之一。硅基隧穿器件与主流CMOS生产线工艺兼容性高，同时还具有极低关态电流的优势，非常适合对静态功耗要求苛刻的应用，比如长时间续航能力的移动芯片、物联网芯片、生物检测芯片、智能三表芯片等极具市场潜力的电子产品。然而，对于隧穿机制而言，带带隧穿几率相对较低，使得器件开态电流驱动不足，尤其是硅基隧穿器件，限制了隧穿晶体管在电路系统的应用范围。另一方面，对于亚阈摆幅，由于陡峭的源结掺杂梯度难以通过常规工艺实现，使实验报道的亚阈摆幅比理论预期要大不少。
　　目前国际上的研究者们大多是从材料、结构和工艺三方面对隧穿场效应晶体管进行改进，这些方法受到单一工作机制的物理局限，很难同时满足高开态电流、超陡亚阈摆幅和低泄漏电流，离实际可以面向大规模应用的超低功耗器件技术仍存在一定的差距。不同于传统思路，黄芊芊及其研究团队从改变现有器件的工作原理角度出发提出新型隧穿器件结构，并率先在国内开展新型硅基隧穿器件的实验研究，实现了器件的开态电流、亚阈摆幅乃至综合性能的突破。通过结合现有带隧穿机制和其他具有高驱动电流的工作机制，提出了肖特基—隧穿混合调控机理；基于上述混合调控机理，研制了具备大规模集成能力的新型梳状栅杂质分凝隧穿晶体管，其最小亚阈摆幅是国内外报道的硅基隧穿器件中的最低值，同时具有目前国际报道的同类器件中最优的综合性能。混合调控新原理器件研究具有创新性和前瞻性，为面向实际超低功耗集成电路的应用奠定了可靠的器件基础，具有重要的科学意义和应用价值。
　　

发展开拓，学术创新与产业化同行

　　科学创新要紧跟世界前沿。一个行业的顶级大会，往往代表了行业动态的风向标，不仅能够带来当今最前沿的研究成果，还为未来的发展指明了方向。通过在行业顶级会议中发表相关文章，黄芊芊得到了更多的科研历练与成长。
　　IEDM（国际电子器件大会）始于1955年，在国际半导体技术界享有很高的学术地位和广泛的影响力，被外媒誉为“微电子器件领域的奥林匹克盛会”。该会议主要报道国际半导体技术方面的最新研究进展，是著名高校、研发机构和英特尔、IBM等企业报告其最新研究成果和技术突破的主要窗口和平台之一。近年来，集成电路技术领域的许多重大技术突破都是通过该会议正式发布的。
　　从2011年开始，黄芊芊就在这一平台上以第一作者发表相关文章，她的研究工作也始终围绕着解决微电子器件领域的世界性科研难题展开，并持续在顶级国际舞台上展示自己的成果，不断加强来自中国的话语权。为了攻克科研难题，熬夜通宵是家常便饭。她说：“做科研并且能出科研成果，一定是首先你对它足够热爱，然后足够想把这件事情做好，才能真正做出一些有用的东西。这样的全身心投入是不分昼夜的，也只有这样，才能真正做到踏石留印、抓铁有痕。”
　　截止到目前，黄芊芊已在IEDM、VLSI、IEEE EDL、IEEE T-ED等国际会议和期刊上发表论文50余篇，其中在微电子器件领域最具标志性国际顶级会议IEDM上发表第一作者论文5篇，为中国大陆地区以第一作者身份发表IEDM论文篇数的最高纪录。相关成果被2次写入国际半导体技术路线指南（ITRS）。除此之外，她已申请专利70余项，含美国授权专利12项，中国授权专利40项，部分转移到中芯国际集成电路制造有限公司（以下简称“中芯国际”）。
　　在科研成果产业化方面，从2013年开始，黄芊芊所在的科研团队就与中芯国际保持了良好的长期合作关系，致力于在中芯国际的大规模生产线上开发超低功耗器件技术，在他们的共同努力之下，研制了世界上首个基于12英寸CMOS生产线上的互补隧穿器件集成技术，并于2015年将阶段性合作成果在顶级会议上进行发表，受到了英特尔、IBM等国际半导体公司的高度关注。同时，该成果被作为重要的产业研究动态，受到了来自国际知名电子工程专业网站EETimes的专题报道。这项成果给予了黄芊芊及其科研伙伴们更大的信心与动力，她说：“目前正在与电路团队合作，进一步基于这项成果研制超低功耗电路，使科技创新能够转化成实实在在的产品。”
　　罗马不是一天建成的。回溯过往，黄芊芊感慨颇多。她直言，自己的成长与王阳元院士、黄如院士的引导是分不开的。两位院士对于科研的严谨与热爱一直在深深感染着她，而她也在将这种精神传承下去，来引领自己的学生在科研中发散思维，做出更多有意义的成果。
　　科学的世界变幻莫测，在日新月异的微电子领域，黄芊芊明白今后的挑战会更多，但她从未有过一丝畏惧。兴趣、执着与使命是支撑黄芊芊在这一领域深耕不怠的无限动力。她希望今后能够朝着超低功耗器件及应用的研究方向脚踏实地继续前行，将研究推向极致，做出能够真正改变人类生活、改变世界的成果。
　　青年如初春、如朝日，是人生最宝贵的时期。立鸿鹄志，做奋斗者。黄芊芊正在用自己的行动践行着青春的意义。