“存儲(chǔ)”科研精神
——記蘭州大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院博士生導(dǎo)師李穎弢

王 軍

大西北有什么？李穎弢給出的回答是：戈壁、蘭州大學(xué)及沙蔥。是的，沙蔥。就是那個(gè)總是以綠色蔥郁的姿態(tài)生長于荒漠、沙坡等貧瘠土地上的植物，它仿佛無視周圍環(huán)境的惡劣，越是石質(zhì)戈壁越能活得茂盛。

生于西北、長于西北的李穎弢從小身上就有這么一股不屈服于周圍環(huán)境的倔強(qiáng)勁。在他長期致力于新型非揮發(fā)性阻變存儲(chǔ)器的研究過程中，不管遇到怎樣的困難，他總能努力想到辦法找到一條適合自己的研究道路。

追隨興趣

在李穎弢長期的學(xué)習(xí)和研究生涯中，他一共對(duì)自己的生活做出過兩次調(diào)整。

在西北長大的李穎弢，從小就表現(xiàn)出在理科和邏輯方面的獨(dú)特天賦。20世紀(jì)90年代初，中國西北農(nóng)村的教育資源尚十分匱乏，所提供的條件并不能夠滿足李穎弢在理科方面的學(xué)習(xí)需求。幸而在辦學(xué)條件方面，即使是在偏僻地區(qū)，也總有相對(duì)更好的學(xué)?？晒┻x擇。初二那年，13歲的李穎弢選擇離開原先的學(xué)校，前往離家20公里的地方學(xué)習(xí)?！澳菚r(shí)候自己在學(xué)校住宿，有時(shí)候一兩個(gè)月才能回一次家?！北M管條件比較艱苦，但李穎弢很高興，因?yàn)樽约涸谶@里可以學(xué)到更多想接觸的知識(shí)。

自小對(duì)理科的熱愛讓李穎弢在學(xué)習(xí)路上一直順風(fēng)順?biāo)⒂?002年考入蘭州大學(xué)，攻讀微電子學(xué)學(xué)士學(xué)位。本科畢業(yè)保送蘭州大學(xué)微電子學(xué)與固體電子學(xué)專業(yè)攻讀博士學(xué)位，研究生開始階段李穎弢開展數(shù)字集成電路設(shè)計(jì)的研究工作，隨著研究的深入，他越來越感覺到自己對(duì)電路設(shè)計(jì)并不是很感興趣。于是他調(diào)整了自己的方向，放棄電路設(shè)計(jì)，以聯(lián)合培養(yǎng)的身份進(jìn)入中國科學(xué)院微電子研究所開展新型阻變存儲(chǔ)器件的研究。如今的李穎弢依舊很慶幸自己當(dāng)時(shí)的選擇，他說，“幸虧那時(shí)調(diào)整到了自己感興趣的方向，我才得以把所有的精力投入到研究中，并有了作為參與人員獲得的北京市科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)及后來的一系列成就”。

北京市科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)是李穎弢在參與中國科學(xué)院微電子研究所劉明院士主持的科研項(xiàng)目的研究過程中獲得的，當(dāng)時(shí)李穎弢主要開展的是關(guān)于存儲(chǔ)器集成方面的研究。

李穎弢慶祝蘭州大學(xué)建校110周年

在當(dāng)時(shí)，業(yè)界對(duì)于阻變存儲(chǔ)器在高密度存儲(chǔ)領(lǐng)域獲得突破的發(fā)展方向已經(jīng)漸趨清晰。一直以來，基于阻變存儲(chǔ)器件的無源交叉陣列被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)高密度存儲(chǔ)最經(jīng)濟(jì)、最有效的方法?！叭欢?，采用交叉陣列實(shí)現(xiàn)高密度存儲(chǔ)遇到的最大問題就是交叉串?dāng)_引起的誤讀現(xiàn)象?！崩罘f弢介紹道。面對(duì)這個(gè)難題，李穎弢提出并實(shí)現(xiàn)了性能更加優(yōu)越的雙極性阻變存儲(chǔ)器與氧化物肖特基二極管集成的新型自限流雙極型1D1R結(jié)構(gòu)?！跋啾葌鹘y(tǒng)的單極性1D1R結(jié)構(gòu)，新型雙極型1D1R結(jié)構(gòu)利用肖特基二極管的反向電流充當(dāng)鉗制電流，為克服單極性1D1R結(jié)構(gòu)固有的缺陷（無限流功能及不適用于雙極性器件）提供了新的思路?！痹谙蛴浾哌M(jìn)一步解釋該項(xiàng)工作的時(shí)候，李穎弢難掩內(nèi)心的激動(dòng)。在當(dāng)時(shí)，這項(xiàng)研究成果引起了研究人員的廣泛關(guān)注，并被引入多篇綜述文章中。

披荊斬棘

帶著在博士期間取得的成就，求學(xué)生涯結(jié)束后的李穎弢回到了自己的母校蘭州大學(xué)繼續(xù)從事阻變存儲(chǔ)器及其集成方面的研究。

所謂的阻變存儲(chǔ)器，就是指薄膜材料的電阻在電脈沖的刺激下，能夠?qū)崿F(xiàn)高阻狀態(tài)與低阻狀態(tài)之間的可逆轉(zhuǎn)換?！八畲蟮膬?yōu)勢就在于，和傳統(tǒng)浮柵型存儲(chǔ)器相比，它的尺寸能夠做到10納米以下，能夠延續(xù)摩爾定律。”李穎弢向記者介紹道，“并且它的功耗很低，操作速度快，和現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝完全兼容”。當(dāng)談起自己研究內(nèi)容時(shí)，李穎弢的話明顯多了起來。

在李穎弢的介紹下，記者了解到，如今他在阻變存儲(chǔ)器領(lǐng)域主要的研究方向是器件性能優(yōu)化、物理機(jī)制，以及三維集成。在性能優(yōu)化方面，李穎弢在多年研究的基礎(chǔ)上，通過參與國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目，已經(jīng)闡明了界面層對(duì)性能調(diào)控的規(guī)律，并進(jìn)一步揭示了影響性能的主要界面層的位置。在物理機(jī)制方面，李穎弢更是闡明了不同活性電極材料引起阻變存儲(chǔ)性能變化的主要原因。此外，通過構(gòu)造多層結(jié)構(gòu)器件實(shí)現(xiàn)了自整流的阻變存儲(chǔ)單元，通過理論模擬結(jié)合實(shí)驗(yàn)闡明了引起這種自整流特性的微觀物理機(jī)制。在集成方面，則實(shí)現(xiàn)了性能優(yōu)越的雙極性阻變存儲(chǔ)器與氧化物基肖特基二極管集成的雙極性1D1R新型結(jié)構(gòu)。另外，他還提出了由齊納二極管、反向并聯(lián)二極管作為選擇器與雙極性阻變存儲(chǔ)單元集成的新型結(jié)構(gòu)。

其實(shí)在關(guān)于阻變存儲(chǔ)技術(shù)及其集成的研究過程中，李穎弢也并非一帆風(fēng)順，中間也經(jīng)歷了數(shù)不清的難題?！霸趯?shí)現(xiàn)高密度集成時(shí)，為了避免交叉串?dāng)_帶來的漏電問題，我們通常需要在每個(gè)存儲(chǔ)單元上面集成一個(gè)選擇器件?！比欢瑧?yīng)該如何選擇材料及構(gòu)造器件，才能滿足研究要求？而對(duì)于存儲(chǔ)器件單元來說，最大的問題則是性能的一致性和可靠性?！爱?dāng)阻變單元發(fā)生電阻轉(zhuǎn)變，材料內(nèi)部會(huì)形成導(dǎo)電通路，但是導(dǎo)電通路卻是隨機(jī)的，我們只能將其控制在一定范圍內(nèi)，卻不能絕對(duì)控制它。”李穎弢在解釋器件性能一致性問題時(shí)說。除此之外，他還要考慮如何獲得高電流密度、高選通比的選擇器件單元。

盡管在研究領(lǐng)域內(nèi)面臨著很多難題，但李穎弢依舊一步一步穩(wěn)扎穩(wěn)打地走了過來。并且他還在2020年獲得了甘肅省杰出青年基金項(xiàng)目，進(jìn)一步研究了新型阻變存儲(chǔ)器及其三維集成?！澳壳皣鴥?nèi)市場上的非易失性存儲(chǔ)器主要基于浮柵技術(shù)，它占到我國整個(gè)存儲(chǔ)市場90%以上的份額。”李穎弢向記者講解道。但是隨著摩爾定律的不斷延伸，半導(dǎo)體的工藝節(jié)點(diǎn)已經(jīng)進(jìn)入到14納米以下，在這種情況下，傳統(tǒng)的浮柵存儲(chǔ)器面臨著許多的技術(shù)限制?！岸陔娮柁D(zhuǎn)變效應(yīng)的新型阻變存儲(chǔ)器，由于其可縮性能極佳，并且可以實(shí)現(xiàn)三維集成，因此受到了研究者的廣泛關(guān)注。”李穎弢說道。因此，此次項(xiàng)目的主要研究內(nèi)容就是解決三維集成中的工藝兼容問題，以及器件集成中的可靠性問題，為阻變存儲(chǔ)器件實(shí)現(xiàn)高密度三維集成做一定的前期鋪墊。

聚焦實(shí)際

即使在外界人看來，李穎弢在阻變存儲(chǔ)器領(lǐng)域已經(jīng)達(dá)到了讓很多人望其項(xiàng)背的高度，但李穎弢心里很清楚，他目前所處的環(huán)境并不能完全滿足他在科研方面的需求。西北地處偏遠(yuǎn)，舉目望去多是戈壁與風(fēng)沙，沒有一二線城市鱗次櫛比的高樓大廈，自然也就少了發(fā)達(dá)城市所擁有的設(shè)備、人才等資源。而阻變存儲(chǔ)器實(shí)際上是需要大量經(jīng)濟(jì)、設(shè)備等支持的高精微研究領(lǐng)域，尤其是發(fā)展到如今的階段，阻變存儲(chǔ)技術(shù)正處于從基礎(chǔ)研究走向成果轉(zhuǎn)化的過程中，對(duì)人力和物力的需求更遠(yuǎn)高于以前。

面對(duì)這個(gè)困境，李穎弢并沒有給自己時(shí)間去猶豫糾結(jié)，他本就擅長從生活環(huán)境中為自己找到適合的路線。除了加強(qiáng)人才引進(jìn)及和外界的交流合作外，李穎弢開始計(jì)劃將自己的研究內(nèi)容從基礎(chǔ)研究調(diào)整為結(jié)合西北地方特色開展在微電子領(lǐng)域的應(yīng)用研究?！跋衿骷M及封裝等領(lǐng)域?qū)υO(shè)備精度的寬容性相對(duì)會(huì)大一些，可能會(huì)成為西北地區(qū)微電子基礎(chǔ)研究進(jìn)行產(chǎn)品應(yīng)用轉(zhuǎn)化的可行方向。”

不只是在研究過程中，李穎弢還將自己這西北人行動(dòng)力強(qiáng)的性子貫穿在教學(xué)生活中。如今他在蘭州大學(xué)負(fù)責(zé)兩門本科生專業(yè)課程及一門研究生專業(yè)課程，同時(shí)他作為團(tuán)隊(duì)主要成員負(fù)責(zé)的蘭州大學(xué)《文科物理基礎(chǔ)》網(wǎng)絡(luò)共享課成功入選首批國家級(jí)一流本科課程（線上線下混合式一流課程）。在日常教學(xué)生活中，他最為重視的就是學(xué)生的獨(dú)立思考能力。為了培養(yǎng)學(xué)生們自己發(fā)現(xiàn)問題、提出問題、解決問題的能力，他實(shí)行了翻轉(zhuǎn)課堂的教學(xué)模式?！拔視?huì)在課后給學(xué)生布置開放性的課題，并給他們一定時(shí)間去查資料和思考?！碑?dāng)然在學(xué)生提出問題之后，他還會(huì)鼓勵(lì)學(xué)生去主動(dòng)解決這個(gè)問題?！肮庥歇?dú)立思考的能力是不夠的，還必須會(huì)主動(dòng)解決問題，這才是最實(shí)際的?！崩罘f弢說道。

“不管面臨多大的困難和挫折，我們一定要學(xué)會(huì)分析目前擁有的條件和資源，然后從自身所處的環(huán)境中找到一條適合自己發(fā)展的道路。”在李穎弢看來，生活是這樣的道理，科研也同樣。