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探索利用纳米电子器件与系统 实现高效传感与计算的新方法——上海交通大学密西根学院杨睿教授
2019-11-04
杨睿，上海交通大学密西根学院助理教授（Tenure-Track Assistant Professor），博士生导师。博士毕业于美国凯斯西储大学Philip Feng教授课题组。此后在美国斯坦福大学Philip Wong和Jonathan Fan教授课题组从事博士后研究。2018年加入上海交通大学密西根学院，作为独立项目负责人（PI）领导的课题组主要研究方向包括忆阻器、纳米机电系统和二维器件等。近年来在期刊发表论文21篇，在国际会议发表文章19篇。现担任多个期刊编委，兼任多个期刊审稿人和国际会议IEEE Sensors（2017年和2018年）、IEEE International Conference on Nanotechnology（IEEE NANO 2017年）审稿人。在光电低维材料国际会议（LDMO 2018年）大会上担任分会场主席，受邀在2018年国际新兴存储器会议(IEMS-2018年)等9个国际会议或国内外大学的研讨会上作特邀报告。在国际会议微系统与纳米工程论坛（MINE 2019年）上获评青年科学家奖，入选上海市“科技创新行动计划”青年科技英才扬帆计划，此外还获得凯斯西储大学Ruth Barber Moon奖。
杨睿教授的研究主要集中在纳米级的器件与集成系统等方面，在纳机电和纳电子等方面拥有丰富的研究经验，特别是使用二维半导体材料分别与纳机电传感器、柔性电子以及新型存储器等相结合，充分发挥二维器件独特的性质和现有技术的优势，取得了多项突破性创新成果。此外，还使用碳化硅和硅纳米线等其他工程材料，制备出有很高亚阈值斜率的纳米机电开关和恶劣环境下工作的微/纳米机电谐振器等。
1 二维晶体管和忆阻器（RRAM）的集成，用于高效计算
杨睿教授与斯坦福大学的研究人员合作，成功实验完成了将单层二硫化钼（MoS2）晶体管和基于氧化铪（HfOx）的氧空穴型忆阻器相结合，形成1晶体管1电阻（1T1R）存储单元。单层二硫化钼是二维半导体材料，厚度只有3个原子厚，但与二维半金属石墨烯不同，二硫化钼具有天然的能带带隙，适合于制备具有低漏电流和高开关比的晶体管。这一项目中的二硫化钼由化学气相沉积（CVD）方法生长，适合于大规模的集成。这些单层二硫化钼晶体管成功地驱动RRAM进行多个周期的置位和复位。由于二硫化钼晶体管具有很高的开关电流比，它们可以在一个RRAM阵列中只选择想要的存储单元，从而减小潜行路径泄漏。IEEE旗舰杂志和网站对此进行了专题报道，认为该成果“代表了将存储与逻辑计算混合在一个单体三维集成芯片上的一个重要里程碑”以及“这些1T1R存储器单元的架构相对于只由忆阻器单元组成的存储器阵列提供了巨大的益处”等。此外，杨睿教授首次使用二硫化钼晶体管与忆阻器结合实现了三态内容寻址存储器（TCAM），可用于并行搜索和模式匹配，适合数据密集型计算。
杨睿教授对二硫化钼晶体管本身的性质和制备方法进行了深入研究，相关成果对于提高晶体管和存储器集成系统的性能具有重要意义。通过对不同厚度的二硫化钼晶体管进行大量实验测量，并结合理论模型，发现了多层晶体管比单层或少层的晶体管有更高的电子迁移率；进行了多层二硫化钼晶体管的电击穿实验，展示出比单层的晶体管更高的击穿极限，同时经过有限元仿真模拟了电热效应和电击穿极限随二硫化钼厚度和导电性的变化。
2 微机电系统（MEMS）和纳米机电系统（NEMS）谐振器
杨睿教授与凯斯西储大学的研究人员合作，对于悬浮的单层MoS2晶体管和谐振器进行了多物理效应耦合的分析，包括应变对于增强电子迁移率的效应，确认了载流子迁移率随应变变化对于器件电学读出信号的帮助。为了制备二维谐振器，杨睿教授创新性地通过一种过程简洁的全干法转移技术实现了多层二硫化钼晶体管的制备，避免了转移后的光刻和化学加工步骤对二硫化钼晶体的污染和性能的影响。这种干法转移的方法也易于用来制备基于其他二维材料的晶体管和异质结等。此后，杨睿教授对这些二维MoS2谐振器进行了全电学信号读出，适合于与外围电路进行集成，并将器件尺寸缩小，使本征谐振频率达到了130 MHz。
3 柔性电子和器件的应变调节
二维材料不仅由于只有原子层的厚度而具有非常好的柔性，而且有很高的载流子迁移率、化学稳定性和机械性能，因此它们非常适合于柔性器件。杨睿教授与凯斯西储大学的研究人员合作，创新性地使用一种改进的吹气膨胀的方法，在柔性基底上实现了在单层和多层二硫化钼上施加双向应力并调节它们的光学标志特性，直到二硫化钼最终断裂。这是首次通过在悬浮的柔性聚二甲基硅氧烷（PDMS）基底的两面创造气压差来实现它表面的二维MoS2上很高的应变（有很多实际的应用）。这个应变可以通过持续改变PDMS底部的气压来调节，并且这个气压可以较快地进行改变（只要几秒钟）。另外，杨睿教授展示了转移到柔性PDMS基底表面微沟道的MoS2纳米机械谐振器，它可以承受很大的弯曲。这种器件在受弯曲到微沟道扩大至161%的时候还是可以正常工作。该项研究工作与美国帕洛阿尔托研究中心（PARC）合作完成，相关成果为研究应变效应对于二维材料的影响以及实现应变传感器提供了一个独特的平台。
作为核心电子器件、系统芯片以及极大规模集成电路等领域的专家，杨睿教授开展了大量与《国家“十二五”科学和技术发展规划》相关的研究工作，所取得的成果为新一代信息技术如物联网、智慧城市等技术的创新提供了支撑。
