让存储更可靠——记山东大学信息科学与工程学院教授陈杰智

□ 肖贞林

纳米科技汇聚了现代多学科领域在纳米尺度的焦点科学问题，促进了多学科交叉融合，引领了新的技术变革，是全球范围内最大和最优竞争力的研究领域之一。自2008年以来，中国的纳米科技整体研发实力逐步提升，新型纳米材料、纳米器件、纳米医药等一批具有自主知识产权的研究成果正在实现产业应用，但纳米科技及其产业化仍处于快速发展时期，未来在新兴技术领域仍有巨大潜力和发展空间。2016年，国家重点研发计划正式启动，纳米科技重点专项被纳入该计划。彼时，因国家青年“千人计划”刚刚到山东大学任职的陈杰智，就主持了纳米科技重点专项中的一项课题——“新型纳米存储器模型和表征”，希望能够在存储器研究上做出扎扎实实的成果。

漂亮的开局

半导体存储器是集成电路产业中最为重要的技术之一，随着大数据、云计算、物联网等技术的兴起，需要存储分析的信息正在爆炸式地增长。为克服器件尺寸缩小所面临的物理极限，继续提高集成密度，3D-NAND闪存将取代2D-NAND闪存，成为未来十几年大容量非挥发存储器（NVM）的主流产品形态。而可靠性研究则是一直贯穿于二维平面存储器和三维立体存储器的永恒话题。

“存储器在电脑、手机等电子产品中的作用不可替代，它的可靠性也会对电子产品的性能、性价比等产生极大的影响，对保障国家信息安全及产业安全有重大意义。”陈杰智说。他在3D NAND闪存存储器可靠性物理机理研究上有出色的表现，曾带领团队与中国科学院半导体研究所姜向伟、华东师范大学陈时友课题组合作，面向三维垂直架构下NAND闪存存储器中电荷扩散所带来的数据保持特性退化的可靠性问题，在原子层面对电荷存储层的各种电荷俘获缺陷进行研究。在全面把握氢、氧元素对氮化硅电荷存储层中浅能级缺陷调制作用的基础之上，他们提出利用重氢钝化来抑制3D NAND闪存存储器擦写过程中氢键断裂所带来的可靠性退化，对于高可靠性三维存储器的研究开发有着非常重要的参考价值，有望为存储器产业应用中的工艺优化提供基础理论指导。该研究工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金项目和国家“青年千人计划”项目等支持。

陈杰智

陈杰智及其团队的工作得到了国际学术界的认可，相关成果被2017年IEEE国际电子器件大会（IEDM 2017）收录。山东大学信息科学与工程学院为该论文第一完成团队，2016级博士研究生武继璇为第一作者。这也是山东大学首次以第一作者和通讯作者单位在IEDM上发表研究进展论文。

IEDM是全球报道半导体及电子器件领域最新的科技、设计、制造、物理及建模的主要论坛，也是世界半导体产业界各知名企业和学术机构报告其最新研究成果和技术突破的主要窗口和平台。它与集成电路技术国际会议（Symposium on VLSI Technology）并列为微电子器件与工艺领域中权威性最高的两个顶级会议。陈杰智团队关于电报噪声（RTN）的一项最新进展就发表在2018年6月举行的Symposium on VLSI Technology上。

电报噪声是影响集成电路及存储器的核心可靠性问题之一。在三维NAND闪存存储器中，电报噪声来源于电荷隧穿层的缺陷和多晶硅沟道的界面缺陷，导致存储数据的错误读写并影响存储器可靠性；在集成电路中，栅绝缘介质缺陷相关的电报噪声则反映在纳米元器件电流的振动及其对电路指标的影响。因此，对电报噪声起源的研究和探索一直是集成电路器件和电路设计领域的核心问题之一。出现在这次大会上的电报噪声新成果，由陈杰智团队与英国利物浦约翰摩尔斯大学教授纪志罡课题组共同完成。在该研究中，他们利用电场应力退化器件来产生电报噪声的原理，设计了具有超低功耗的“随机电报噪声的超低功耗真随机数发生器（RTN-TRNG）”，其工作频率突破了传统设计极限，提高了约一个数量级达到3Mbps的超高工作频率。由于电路面积小、工艺依赖性弱、设计成本低，RTN-TRNG在物联网安全领域有着非常大的应用潜力。

做前沿的、具有应用潜力的成果，陈杰智用行动诠释了这一准则。到2018年6月，陈杰智回国到山东大学信息科学与工程学院任职才满两年，已经能够带领团队在国际学术界连续亮相，这就是一个漂亮的开局了。

科学家有国界

“从前选择南京大学物理系，是因为我喜欢研究物理；留学日本，是因为我想亲手把纳米线硅晶体管从第一步到最后一步都做出来，还要能在器件领域的国际最高学术会议上发表自己的成果；加盟日本东芝公司研发中心，是因为我想看到研究的应用价值，希望能把我的技术直接做成产品。这些我都实现了。”在山东大学庆祝2016年教师节暨优秀教师表彰大会上，陈杰智作为新聘教师代表在发言中谈道。

2006年，陈杰智结束了在南京大学8年的学习，前往日本东京大学工学院攻读博士学位，师从东京大学生产技术研究所教授、半导体器件专家平本俊郎，对硅基纳米线晶体管从工艺制备到载流子量子输运的物理机制进行了全面深入的探索和研究。3年后，博士毕业的他受邀前往美国加州大学伯克利分校开展访问研究，2010年4月加盟日本东芝公司研究开发中心，从事半导体器件和存储器可靠性物理机制方面的研究工作。海外10年，陈杰智在技术创新、技术转化和技术应用上，做出了重要的积累，取得美国授权专利和日本授权专利10余项，两度获颁日本电子器件学会EDS奖、东芝研发中心成果优秀奖。2015年Symposium on VLSI Technology上，他率先提出了电报噪声应用于云存储中芯片指纹的概念，并成功设计了超过百万次读写寿命的噪声芯片指纹系统。事实上，从那时到现在，他一直是IEDM和Symposium on VLSI Technology的熟面孔，在两个国际顶级会议上做了10余次重要报告。

每一个“小目标”都在实现，俨然后起之秀的陈杰智却越来越茫然了。做了这么多年研究到底想为谁创造价值？“说句通俗的话，科学没国界，但科学家有。”辗转反思之后，陈杰智发觉他是真的想要回国了。2015年，一次偶然的机会，他听说山东大学打算在青岛校区和中国科学院微电子研究所共同创建微纳电子科学与技术研究院及微纳加工中心。经过了解，这是面向青岛市的特色产业布局，希望借此平台聚集人才，提升青岛市在新一代信息技术、新材料、新能源等技术领域的研发水平，辐射带动各种新型产业经济建设。陈杰智眼前一亮，这不正是发挥所学的最好的机会吗？哪怕从零开始，只要能为这一平台建设贡献力量，他就乐于接受挑战。

想通之后，爽快人陈杰智立马就和山东大学人才办取得了联系，开始申请国家“青年千人计划”。“我就是看中了山东大学在微电子器件领域未来的发展潜力。”面对国内外朋友的问询，陈杰智说。全职回国后，从学校到信息科学与工程学院，都给予了他充分的支持，他的工作也迅速进入状态——做科研、带学生、搭建团队、推动微纳加工中心筹建，对一心做实事的陈杰智而言，没有什么节奏能比极速前进的忙碌感更好了。