讓存儲更可靠
——記山東大學信息科學與工程學院教授陳杰智

□ 肖貞林

納米科技匯聚了現代多學科領域在納米尺度的焦點科學問題，促進了多學科交叉融合，引領了新的技術變革，是全球范圍內最大和最優競爭力的研究領域之一。自2008年以來，中國的納米科技整體研發實力逐步提升，新型納米材料、納米器件、納米醫藥等一批具有自主知識產權的研究成果正在實現產業應用，但納米科技及其產業化仍處于快速發展時期，未來在新興技術領域仍有巨大潛力和發展空間。2016年，國家重點研發計劃正式啟動，納米科技重點專項被納入該計劃。彼時，因國家青年“千人計劃”剛剛到山東大學任職的陳杰智，就主持了納米科技重點專項中的一項課題——“新型納米存儲器模型和表征”，希望能夠在存儲器研究上做出扎扎實實的成果。

漂亮的開局

半導體存儲器是集成電路產業中最為重要的技術之一，隨著大數據、云計算、物聯網等技術的興起，需要存儲分析的信息正在爆炸式地增長。為克服器件尺寸縮小所面臨的物理極限，繼續提高集成密度，3D-NAND閃存將取代2D-NAND閃存，成為未來十幾年大容量非揮發存儲器（NVM）的主流產品形態。而可靠性研究則是一直貫穿于二維平面存儲器和三維立體存儲器的永恒話題。

“存儲器在電腦、手機等電子產品中的作用不可替代，它的可靠性也會對電子產品的性能、性價比等產生極大的影響，對保障國家信息安全及產業安全有重大意義。”陳杰智說。他在3D NAND閃存存儲器可靠性物理機理研究上有出色的表現，曾帶領團隊與中國科學院半導體研究所姜向偉、華東師范大學陳時友課題組合作，面向三維垂直架構下NAND閃存存儲器中電荷擴散所帶來的數據保持特性退化的可靠性問題，在原子層面對電荷存儲層的各種電荷俘獲缺陷進行研究。在全面把握氫、氧元素對氮化硅電荷存儲層中淺能級缺陷調制作用的基礎之上，他們提出利用重氫鈍化來抑制3D NAND閃存存儲器擦寫過程中氫鍵斷裂所帶來的可靠性退化，對于高可靠性三維存儲器的研究開發有著非常重要的參考價值，有望為存儲器產業應用中的工藝優化提供基礎理論指導。該研究工作得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金項目和國家“青年千人計劃”項目等支持。

陳杰智

陳杰智及其團隊的工作得到了國際學術界的認可，相關成果被2017年IEEE國際電子器件大會（IEDM 2017）收錄。山東大學信息科學與工程學院為該論文第一完成團隊，2016級博士研究生武繼璇為第一作者。這也是山東大學首次以第一作者和通訊作者單位在IEDM上發表研究進展論文。

IEDM是全球報道半導體及電子器件領域最新的科技、設計、制造、物理及建模的主要論壇，也是世界半導體產業界各知名企業和學術機構報告其最新研究成果和技術突破的主要窗口和平臺。它與集成電路技術國際會議（Symposium on VLSI Technology）并列為微電子器件與工藝領域中權威性最高的兩個頂級會議。陳杰智團隊關于電報噪聲（RTN）的一項最新進展就發表在2018年6月舉行的Symposium on VLSI Technology上。

電報噪聲是影響集成電路及存儲器的核心可靠性問題之一。在三維NAND閃存存儲器中，電報噪聲來源于電荷隧穿層的缺陷和多晶硅溝道的界面缺陷，導致存儲數據的錯誤讀寫并影響存儲器可靠性；在集成電路中，柵絕緣介質缺陷相關的電報噪聲則反映在納米元器件電流的振動及其對電路指標的影響。因此，對電報噪聲起源的研究和探索一直是集成電路器件和電路設計領域的核心問題之一。出現在這次大會上的電報噪聲新成果，由陳杰智團隊與英國利物浦約翰摩爾斯大學教授紀志罡課題組共同完成。在該研究中，他們利用電場應力退化器件來產生電報噪聲的原理，設計了具有超低功耗的“隨機電報噪聲的超低功耗真隨機數發生器（RTN-TRNG）”，其工作頻率突破了傳統設計極限，提高了約一個數量級達到3Mbps的超高工作頻率。由于電路面積小、工藝依賴性弱、設計成本低，RTN-TRNG在物聯網安全領域有著非常大的應用潛力。

做前沿的、具有應用潛力的成果，陳杰智用行動詮釋了這一準則。到2018年6月，陳杰智回國到山東大學信息科學與工程學院任職才滿兩年，已經能夠帶領團隊在國際學術界連續亮相，這就是一個漂亮的開局了。

科學家有國界

“從前選擇南京大學物理系，是因為我喜歡研究物理；留學日本，是因為我想親手把納米線硅晶體管從第一步到最后一步都做出來，還要能在器件領域的國際最高學術會議上發表自己的成果；加盟日本東芝公司研發中心，是因為我想看到研究的應用價值，希望能把我的技術直接做成產品。這些我都實現了?！痹谏綎|大學慶祝2016年教師節暨優秀教師表彰大會上，陳杰智作為新聘教師代表在發言中談道。

2006年，陳杰智結束了在南京大學8年的學習，前往日本東京大學工學院攻讀博士學位，師從東京大學生產技術研究所教授、半導體器件專家平本俊郎，對硅基納米線晶體管從工藝制備到載流子量子輸運的物理機制進行了全面深入的探索和研究。3年后，博士畢業的他受邀前往美國加州大學伯克利分校開展訪問研究，2010年4月加盟日本東芝公司研究開發中心，從事半導體器件和存儲器可靠性物理機制方面的研究工作。海外10年，陳杰智在技術創新、技術轉化和技術應用上，做出了重要的積累，取得美國授權專利和日本授權專利10余項，兩度獲頒日本電子器件學會EDS獎、東芝研發中心成果優秀獎。2015年Symposium on VLSI Technology上，他率先提出了電報噪聲應用于云存儲中芯片指紋的概念，并成功設計了超過百萬次讀寫壽命的噪聲芯片指紋系統。事實上，從那時到現在，他一直是IEDM和Symposium on VLSI Technology的熟面孔，在兩個國際頂級會議上做了10余次重要報告。

每一個“小目標”都在實現，儼然后起之秀的陳杰智卻越來越茫然了。做了這么多年研究到底想為誰創造價值？“說句通俗的話，科學沒國界，但科學家有。”輾轉反思之后，陳杰智發覺他是真的想要回國了。2015年，一次偶然的機會，他聽說山東大學打算在青島校區和中國科學院微電子研究所共同創建微納電子科學與技術研究院及微納加工中心。經過了解，這是面向青島市的特色產業布局，希望借此平臺聚集人才，提升青島市在新一代信息技術、新材料、新能源等技術領域的研發水平，輻射帶動各種新型產業經濟建設。陳杰智眼前一亮，這不正是發揮所學的最好的機會嗎？哪怕從零開始，只要能為這一平臺建設貢獻力量，他就樂于接受挑戰。

想通之后，爽快人陳杰智立馬就和山東大學人才辦取得了聯系，開始申請國家“青年千人計劃”?！拔揖褪强粗辛松綎|大學在微電子器件領域未來的發展潛力。”面對國內外朋友的問詢，陳杰智說。全職回國后，從學校到信息科學與工程學院，都給予了他充分的支持，他的工作也迅速進入狀態——做科研、帶學生、搭建團隊、推動微納加工中心籌建，對一心做實事的陳杰智而言，沒有什么節奏能比極速前進的忙碌感更好了。