王凯：后摩尔时代微电子领域的“寻宝人”

□ 李 刚

专家简介：

王凯，中山大学电子与信息工程学院教授，美国卡内基梅隆大学电子与计算机工程系兼职教授，博士生导师，广东顺德中山大学卡内基梅隆大学国际联合研究院教授，研究员。2000年7月毕业于华中科技大学获学士学位，2003年7月毕业于大连理工大学获硕士学位，2008年5月毕业于加拿大滑铁卢大学，获电子与计算机工程学博士学位。同年，获得加拿大国家自然科学与工程研究协会博士后基金，加入加拿大Thunder Bay健康医学中心，主持及参与了X射线成像探测器、生物医学成像器件和传感技术等多个研究项目。2011年7月，作为高级硬件研发工程师加入苹果公司（美国），从事触控和人机界面产品研究工作，并深度参与了iPhone、iPad和iMac等系列产品的开发。2013年12月，加入中山大学，专门从事生物医学成像器件、生物传感器和执行器以及大面积电子学方面的教学和研究工作。目前，已经在国际学术期刊上发表论文30篇、国际会议论文30余篇；申请发明专利20项，授权9项。曾担任IEEE／OSA Journal of Display Technology编委。

1965年，英特尔创始人之一戈登·摩尔将他观察的结果发表在当年第35期《电子》杂志上，在文章里，摩尔天才地预言道：集成电路上被集成的晶体管数目，将会以每18个月翻一番的速度稳定增长，并在今后数十年内保持着这种势头。摩尔所做的这个预言，虽然只有3页纸的篇幅，但却是迄今为止半导体历史上最具意义的论文。该言论被人誉为“摩尔定律”。长期以来这一定律成为电子制造产业链的“金科玉律”，并使计算机的发展成为一列停不下来的火车。

然而，在计算机体积小型化日趋极端的今天，处理器芯片的物理空间即将被压榨殆尽，这一“金科玉律”该走向何处，才能够持续不断地提高计算机的性能？延续摩尔定律与超越摩尔定律是摩尔定律走出困境的出路。中山大学电信学院教授王凯，一直在超越摩尔定律领域探索。他说，未来是以大数据、云计算和人工智能为代表的数据时代。那么身处数据时代，数据从哪里来？这得需要先进的传感器件与设备去采集数据。现在他主要的研究工作就是设计一些这样的器件，再到传感成像、人工智能等领域进行应用。同时，这也是超越摩尔定律的杀手锏。

从工业界转战学术界

“我是学工科出身的，选择中山大学，主要是因为珠三角这个地方有雄厚的产业基础，即使内地有高校给我提供100万的年薪，我也未必会去，因为没有产业基础，就相当于没有土壤让你发展。”王凯如是解释当初回国加盟中山大学的原因。

作为留学归国人员，王凯2013年末入职中山大学，回国之前他曾分别在加拿大Thunder Bay健康科学中心和美国苹果公司工作。对王凯来说，平台是施展才能的基础，只有平台够宽广，才能使自己的价值得到最大限度的发挥。中山大学有雄厚的科研条件，又地处珠江三角洲，有强大的产业集群，所以，这里是他人生舞台的最佳选择。

海阔凭鱼跃，天高任鸟飞。从加入中山大学开始，王凯就专门从事生物医学成像器件、生物传感器和执行器以及大面积电子学方面的教学和研究工作，对超越摩尔定律进行无止境的探索。而此前在国外工作期间，始终追求卓越的王凯，早已积淀丰厚。

博士毕业后，王凯加入加拿大Thunder Bay健康科学中心，主持并参与了X射线成像探测器、生物医学成像器件和传感技术等多个研究项目，首次提出了利用横向光电导器件配合薄膜晶体管实现数字平板X射线成像的理念，并结合在薄膜电子器件领域的知识和经验，提出了合理的制备工艺和系统集成方案，成功设计和制备了世界上第一个利用横向光电导器件进行间接X射线探测的成像阵列。该成果被Medical Physics Web（IOP医学物理专业门户网站）报道，并受到了业界广泛关注，被认为是当今数字平板X射线探测器领域的3大主要技术之一，2013年该成果已经实现了技术转移，成为加拿大KA Imaging公司的探测器核心技术之一。作为一名工程师，王凯在钻研基础理论解决科学问题的同时，还对产品的开发倾注了极大的热情。在美国苹果公司总部担任高级研发工程师期间，王凯主持及参与了多点电容式触摸屏和iMac保护玻璃用多层抗反射薄膜等项目，申请多项发明专利，两次获得苹果公司专利申请奖。

在数字平板X射线成像、信息显示和触控、生物医学传感器等领域积累了极为丰富的研究经验和工业界经验之后，王凯来到中山大学，又站在了新的起点上，从“零”开始，再度出发。通过不断探索，他和研究团队首次提出了双栅极光电薄膜晶体管“智能”像素的概念。他告诉记者，这一研究将降低X射线对于病人尤其是儿童和婴幼儿群体的辐射致癌风险，成为低剂量数字X射线成像研究领域的新突破。现在，他和团队正与工业界合作，为使该项研究成果“落地开花”而努力。

开拓像素新天地

像素不仅仅只是负责显示，未来，它还可以让人们在进行X光、C T成像时，接受的辐射量大大减少；还可以让手机不需要额外安置独立的光学指纹传感器，也不需要执行特殊的扫描指纹动作，直接按屏幕就能完成解锁。这些新技术领域，便是王凯与团队正在探索的方向。

团队参加首届高校高科技成果交易会

他说，自伦琴发现X射线以来，X射线放射影像已经成为疾病诊断的重要工具之一。经过一个多世纪的发展，X射线经历了由胶片到数字成像的演变。如今，非晶硅数字平板X射线探测器已成为放射影像技术领域最重要的研究方向之一。而在数字X射线成像系统中，像素是其最基本的构成单元。目前，无论是无源还是有源像素技术，其电路均采用信号感应、信号存储及信号读取三元分立的设计。这种设计虽增加了像素面积，但降低了像素的分辨率。

“目前国内外所有像素架构无一例外地采用了信号采集、储存和读取彼此独立的设计，这种设计既需要较大像素面积，又不利于信号有效传输。然而迄今为止，还没有出现一种将三者集成在一起的像素设计。同时，至今也没有一种兼顾有源和无源像素技术优点同时克服两者缺点的像素设计。”王凯如是说。

为解决X射线放射影像的技术痛点，王凯团队以像素技术为突破口，在国际上首次提出利用双栅极光电薄膜晶体管这一新颖的光电感应器件进行间接X射线探测的技术，并得到了国家科学自然基金面上项目和科技部重点研发计划的支持。国家科学自然基金面上项目“用于低剂量X射线成像的双栅极光电薄膜晶体管‘智能’像素的研究”以及2016年立项的科技部重点研发计划课题项目便是王凯对其的探索。该技术的核心是将传统像素里的信号感应、存储和读取三者集成在一个双栅极光电薄膜晶体管中。

由单个双栅极光电薄膜晶体管构成的像素被王凯称为“智能”像素。“智能”像素具有诸多优点，包括简化像素电路、节省像素空间、提高分辨率、简化制备工艺以及降低生产成本等。尤为重要的是，它还可以利用自身的信号放大功能，实现单一薄膜晶体管的有源像素技术，为研究和开发低剂量和高灵敏度X射线成像系统奠定基础，对降低病人尤其是儿童辐射致癌风险具有深远的意义。

在项目研究中，王凯团队在传统双栅极薄膜晶体管的基础上，对器件结构和制备工艺进行了重新设计，以期实现开关、光电感应和信号放大等多种功能。“以往的研究还表明，非晶硅双栅极薄膜晶体管具有比单栅极薄膜晶体管更好的电学稳定性，可以克服或缓解非晶硅薄膜晶体管自身严重的不稳定性问题。因此，该项目研究的目的恰恰是为了探索具有光电感应功能的非晶硅双栅极薄膜晶体管在低剂量X射线成像领域的应用潜力，为低剂量X射线成像提供一个全新的有源像素解决方案，为我国自主研发高性能和低剂量的新型数字平板X射线成像系统作出贡献。”王凯说。

在超越摩尔定律里“寻宝”

有人说，做科研就像海滩寻宝。如果你捡贝壳，那你一辈子就停留在这样一个高度。如果你找准了地方，深挖下去就能捡到珍珠。

对王凯来说，用超越摩尔定律对电子器件进行探索，就是在沙地里寻找到的珍珠。在他看来，在大数据蓬勃发展的时代下，超越摩尔定律电子器件应用尚待开发，有着广阔的应用前景。他要搭乘时代发展的快速列车，为自己的研究领域开拓一片崭新的天地。因此，在“用于低剂量X射线成像的双栅极光电薄膜晶体管‘智能’像素的研究”项目之上，王凯又申请了另一国家自然科学基金项目“有源混合集成薄膜电子器件及其在超越摩尔定律微电子中的应用研究”。

微电子学现已步入后摩尔时代，以成像器件、传感器、生物芯片和类神经形态器件等为代表的超越摩尔定律微电子是后摩尔时代微电子学的两个重要研究方向。王凯说，超越摩尔定律微电子器件大多是模拟器件，关注的是人与环境交互的一系列应用，比如传感器、IOTs、机器人和人工智能。他相信，未来这方面的需求量巨大。然而，如何满足多样化的应用需求，实现低功耗、低成本、大规模制备工艺和混合集成等阻碍是其发展的一大挑战。

目前，多数的超越摩尔定律器件是基于CMOS技术或是MEMS技术的有源混合集成器件。这些器件一般先通过分立的元件或电路实现，如传感、开关等功能单元，然后再通过系统级封装形成一个系统。随着未来对超越摩尔定律器件的海量需求，无论是CMOS技术还是MEMS技术，在产能、成本和工艺兼容性方面都面临着巨大的挑战，而薄膜晶体管技术则有望成为解决这一问题的“利剑”。

王凯说“薄膜晶体管在信息显示领域已经得到了十分广泛的应用，然而其在超越摩尔定律微电子的应用上还有待开发。因此，研究基于薄膜晶体管技术的有源混合集成薄膜器件并拓展其在超越摩尔定律微电子中的应用具有十分重要的意义”。而要实现薄膜晶体管技术在超越摩尔定律微电子的应用上，他说，必须在器件结构和工作原理上进行创新。因而，在项目研究中，王凯提出基于三维结构场耦合双栅薄膜晶体管的有源混合集成器件，并试图从结构、物理和工艺以及应用3个层面的研究来解决上述关键共性问题，拓展薄膜晶体管技术在超越摩尔定律微电子领域的应用。

在展开该项目研究之前，王凯在集成薄膜器件研究中进行了深入研究，分别设计了三维沟道结构双栅薄膜晶体管与三维立体结构双栅薄膜晶体管，并建立了场耦合双栅薄膜晶体管的器件物理模型和等效电路模型等，以这些研究成果为积淀，王凯说，项目还可探索其在可穿戴电子领域的作用。

博学不穷，笃行不倦。王凯在教学上也用心付出。在学生培养上，他说，要以“兴趣”为先导，以“动手”为重点，让学生实实在在去做事，让他们在做的过程中不但要知其然，更要知其所以然。付出终会有收获。在王凯的指导下，2017年他的学生在中国机器人及人工智能大赛中斩获“机器人创新比赛”项目一等奖。

在采访中，谈到对高校的评价体系上，王凯也发表了自己的看法。在他看来，高校的学术评价体系也因应时而变。对于不同的学科应该有一个多样性的人才评价标准。这样也许会营造出更加自由、良好的学术氛围。

过往的经历都会成为前进途中的一笔财富。在美国苹果公司从事产品开发的经历，现在也成为王凯的一笔巨大财富。学术界和工业界的双重背景使王凯对产学研转化和技术转移有了更深的认识。他说：“从做产品回归到学术研究，让我对项目的选择更‘直截了当’了。在选择项目的时候，我会更多地考虑技术的应用前景，以及产业化的实现难度，不会为了研究而研究。很多研究不需要去随波逐流，每个领域都是一座金矿，都值得去开发。”现在，王凯在最初选择的“舞台上”，践行初心，在新的时代下，他将以最饱满的热情最昂扬的姿态在超越摩尔定律中勇往直前。