“存儲”科研精神
——記蘭州大學物理科學與技術學院博士生導師李穎弢

王 軍

大西北有什么？李穎弢給出的回答是：戈壁、蘭州大學及沙蔥。是的，沙蔥。就是那個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)境的倔強勁。在他長期致力于新型非揮發(fā)性阻變存儲器的研究過程中，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

在李穎弢長期的學習和研究生涯中，他一共對自己的生活做出過兩次調整。

在西北長大的李穎弢，從小就表現出在理科和邏輯方面的獨特天賦。20世紀90年代初，中國西北農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習需求。幸而在辦學條件方面，即使是在偏僻地區(qū)，也總有相對更好的學校可供選擇。初二那年，13歲的李穎弢選擇離開原先的學校，前往離家20公里的地方學習。“那時候自己在學校住宿，有時候一兩個月才能回一次家。”盡管條件比較艱苦，但李穎弢很高興，因為自己在這里可以學到更多想接觸的知識。

自小對理科的熱愛讓李穎弢在學習路上一直順風順水，并于2002年考入蘭州大學，攻讀微電子學學士學位。本科畢業(yè)保送蘭州大學微電子學與固體電子學專業(yè)攻讀博士學位，研究生開始階段李穎弢開展數字集成電路設計的研究工作，隨著研究的深入，他越來越感覺到自己對電路設計并不是很感興趣。于是他調整了自己的方向，放棄電路設計，以聯合培養(yǎng)的身份進入中國科學院微電子研究所開展新型阻變存儲器件的研究。如今的李穎弢依舊很慶幸自己當時的選擇，他說，“幸虧那時調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技術獎及后來的一系列成就”。

北京市科學技術獎是李穎弢在參與中國科學院微電子研究所劉明院士主持的科研項目的研究過程中獲得的，當時李穎弢主要開展的是關于存儲器集成方面的研究。

李穎弢慶祝蘭州大學建校110周年

在當時，業(yè)界對于阻變存儲器在高密度存儲領域獲得突破的發(fā)展方向已經漸趨清晰。一直以來，基于阻變存儲器件的無源交叉陣列被認為是實現高密度存儲最經濟、最有效的方法。“然而，采用交叉陣列實現高密度存儲遇到的最大問題就是交叉串擾引起的誤讀現象。”李穎弢介紹道。面對這個難題，李穎弢提出并實現了性能更加優(yōu)越的雙極性阻變存儲器與氧化物肖特基二極管集成的新型自限流雙極型1D1R結構。“相比傳統的單極性1D1R結構，新型雙極型1D1R結構利用肖特基二極管的反向電流充當鉗制電流，為克服單極性1D1R結構固有的缺陷（無限流功能及不適用于雙極性器件）提供了新的思路。”在向記者進一步解釋該項工作的時候，李穎弢難掩內心的激動。在當時，這項研究成果引起了研究人員的廣泛關注，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，求學生涯結束后的李穎弢回到了自己的母校蘭州大學繼續(xù)從事阻變存儲器及其集成方面的研究。

所謂的阻變存儲器，就是指薄膜材料的電阻在電脈沖的刺激下，能夠實現高阻狀態(tài)與低阻狀態(tài)之間的可逆轉換。“它最大的優(yōu)勢就在于，和傳統浮柵型存儲器相比，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，和現有的標準CMOS工藝完全兼容”。當談起自己研究內容時，李穎弢的話明顯多了起來。

在李穎弢的介紹下，記者了解到，如今他在阻變存儲器領域主要的研究方向是器件性能優(yōu)化、物理機制，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上，通過參與國家重點研發(fā)計劃項目，已經闡明了界面層對性能調控的規(guī)律，并進一步揭示了影響性能的主要界面層的位置。在物理機制方面，李穎弢更是闡明了不同活性電極材料引起阻變存儲性能變化的主要原因。此外，通過構造多層結構器件實現了自整流的阻變存儲單元，通過理論模擬結合實驗闡明了引起這種自整流特性的微觀物理機制。在集成方面，則實現了性能優(yōu)越的雙極性阻變存儲器與氧化物基肖特基二極管集成的雙極性1D1R新型結構。另外，他還提出了由齊納二極管、反向并聯二極管作為選擇器與雙極性阻變存儲單元集成的新型結構。

其實在關于阻變存儲技術及其集成的研究過程中，李穎弢也并非一帆風順，中間也經歷了數不清的難題。“在實現高密度集成時，為了避免交叉串擾帶來的漏電問題，我們通常需要在每個存儲單元上面集成一個選擇器件。”然而，應該如何選擇材料及構造器件，才能滿足研究要求？而對于存儲器件單元來說，最大的問題則是性能的一致性和可靠性。“當阻變單元發(fā)生電阻轉變，材料內部會形成導電通路，但是導電通路卻是隨機的，我們只能將其控制在一定范圍內，卻不能絕對控制它。”李穎弢在解釋器件性能一致性問題時說。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。

盡管在研究領域內面臨著很多難題，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目，進一步研究了新型阻變存儲器及其三維集成。“目前國內市場上的非易失性存儲器主要基于浮柵技術，它占到我國整個存儲市場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，半導體的工藝節(jié)點已經進入到14納米以下，在這種情況下，傳統的浮柵存儲器面臨著許多的技術限制。“而基于電阻轉變效應的新型阻變存儲器，由于其可縮性能極佳，并且可以實現三維集成，因此受到了研究者的廣泛關注。”李穎弢說道。因此，此次項目的主要研究內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，為阻變存儲器件實現高密度三維集成做一定的前期鋪墊。

聚焦實際

即使在外界人看來，李穎弢在阻變存儲器領域已經達到了讓很多人望其項背的高度，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，舉目望去多是戈壁與風沙，沒有一二線城市鱗次櫛比的高樓大廈，自然也就少了發(fā)達城市所擁有的設備、人才等資源。而阻變存儲器實際上是需要大量經濟、設備等支持的高精微研究領域，尤其是發(fā)展到如今的階段，阻變存儲技術正處于從基礎研究走向成果轉化的過程中，對人力和物力的需求更遠高于以前。

面對這個困境，李穎弢并沒有給自己時間去猶豫糾結，他本就擅長從生活環(huán)境中為自己找到適合的路線。除了加強人才引進及和外界的交流合作外，李穎弢開始計劃將自己的研究內容從基礎研究調整為結合西北地方特色開展在微電子領域的應用研究。“像器件模擬及封裝等領域對設備精度的寬容性相對會大一些，可能會成為西北地區(qū)微電子基礎研究進行產品應用轉化的可行方向。”

不只是在研究過程中，李穎弢還將自己這西北人行動力強的性子貫穿在教學生活中。如今他在蘭州大學負責兩門本科生專業(yè)課程及一門研究生專業(yè)課程，同時他作為團隊主要成員負責的蘭州大學《文科物理基礎》網絡共享課成功入選首批國家級一流本科課程（線上線下混合式一流課程）。在日常教學生活中，他最為重視的就是學生的獨立思考能力。為了培養(yǎng)學生們自己發(fā)現問題、提出問題、解決問題的能力，他實行了翻轉課堂的教學模式。“我會在課后給學生布置開放性的課題，并給他們一定時間去查資料和思考。”當然在學生提出問題之后，他還會鼓勵學生去主動解決這個問題。“光有獨立思考的能力是不夠的，還必須會主動解決問題，這才是最實際的。”李穎弢說道。

“不管面臨多大的困難和挫折，我們一定要學會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。