起舞于电子薄膜——记电子科技大学微电子与固体电子系教授金立川

曹笑轩

金立川

就像地球公转的同时也在自转一样，在半导体芯片中，电子也在一边围绕原子运动，一边如芭蕾舞者般自我旋转。自旋与电荷，是电子的两个内禀物理属性，各有千秋。但自电子学诞生以来，科学家基本都在关注电荷的流动，而对电子的自旋知之甚少。后摩尔时代，随着功耗增大带来的热壁垒和尺寸减小导致的量子壁垒横亘在前，电子器件的发展遇到了阻碍。正是此时，电子的自旋特性映入人们的眼帘。

科学家发现，在纳米级的磁性薄膜材料中，电子产生了一种巨磁电阻效应，在有无外磁场作用的两种情况下，电阻变化很大。基于这种电子新自由度，学界开始了对自旋电子器件的探索。自旋电子器件以电子自旋作为信息载体，通过电流或电压进行操控，能耗远低于传统的电子器件，具有体积小、速度快、数据非易失性等特点，可以实现更高效的信息存储、传递和处理，有望成为打破后摩尔时代电子器件发展两大壁垒的重要途径之一。2007年度诺贝尔物理学奖授予发现巨磁电阻效应的两位物理学家，昭示着自旋电子器件的发展受到各界高度关注，有望掀起下一代信息器件的变革。

来自电子科技大学（以下简称“电子科大”）微电子与固体电子系的教授金立川早在十多年前就出于对未来信息器件将走向高性能、低功耗趋势的判断，踏上了自旋电子学的研究。一路走来，他始终秉持着“聚焦国际前沿，面向基础研发，满足应用需求”的理念，致力于电子信息材料与器件的自主研发，在巨磁电阻器件与传感芯片、高质量微波单晶材料生长、半导体光电薄膜器件等方面，开展了许多创新性研究，取得了一系列重要科研成果——制备高质量纳米级微波单晶薄膜；在绝缘体基自旋器件输运和动力学理论和实验方面做出了全新的发现，特别是提拉法生长大尺寸钆镓石榴石单晶技术达到国际先进水平并受到国际同行的认可。

从走出国门学习经验，到做出世界先进成果，金立川的经历正是中国电子材料与信息器件领域近些年科技迅速发展的一个缩影。面对如今频频出现的“卡脖子”难题，他说：“总有一天我们会实现‘弯道超车’，而自旋电子器件正是这个可能的弯道。”

走近电子元器件，聚焦自旋电子学

1956年，在周恩来总理的亲自部署下，由国内多家理工院校的电讯工程系、电讯系、无线电系等合并创建而成了我国第一所无限电大学，这便是今天的电子科大。金立川与电子科大的缘分从2004年就开始了，他在电子科大的校园里，完成了从本科到博士的学业，2014年毕业后，又带着十几项研究成果留校任教。静静矗立在校园一角的电子薄膜与集成器件国家重点实验室中，处处散落着他的科研回忆。金立川的本科专业是固体电子学，其前身是建校之初就设立的无线电元器件学，专业底蕴深厚，课程设置上偏电子材料，为他日后展开相关研究打下了扎实的基础。研究生期间，他跟随导师先后参加了国防预研项目、国家自然科学基金委的创新群体项目等，在电路与系统、自旋电子信息薄膜与集成器件、单晶提拉技术等方面得到了很好的锻炼。实验室的前辈通过传帮带的育人理念，引领、支撑着如金立川这样的年轻一代，金立川也在学习、积累中，不断打磨、提升着自己。

整个求学过程，金立川最为感激的人，还是自己的导师。“当我有感兴趣的课题，导师都会不遗余力地提供相关的科研条件，鼓励我积极尝试，哪怕错了也没关系。”他记忆中，研究生阶段经常出现的一个场景就是，第二天马上就要有“磁悬浮陀螺”项目的专家来验收中期进展了，自己在实验室通宵调试系统到清晨，熬了一宿却还是没有出结果。于是他急得抓耳挠腮，只好一大早等在导师的办公室门口，请教解决办法。“年轻的时候遇到问题总是很紧张，但每一次导师都没责怪我，反而一边自我批评，一边安抚我的情绪。有时被期刊拒稿了，导师也总是说，这很正常，再努力就是了。”这种鼓励为主并尽可能提供支持资源的培养方式，给了金立川一次次战胜挫折的勇气和信心。多年以后，当他自己也成为一名导师后，他更加明白了这种对年轻人的失败的包容，是多么可贵。

在电子信息材料领域，单晶材料堪比皇冠上的宝石，技术难度非常大，乌克兰的功勋科学家曾专程过来进行技术指导。金立川非常珍惜学习的机会，仔仔细细记下一堆笔记。有一次，乌克兰专家回国了，导师让他试试，看能不能独立完成一次单晶提拉。金立川接到任务时压力很大，他在心里审慎地计算着：这个任务需要费1周左右时间，其中最关键的是前3天。这个阶段，要将结晶物质材料在坩埚中熔化，通过不断提拉，使晶体生长。过程里绝不能出错，否则一坩埚几十万元的材料就白费了。于是，为了保证万无一失，他每隔10分钟就要爬上梯子去看一下熔炼炉里单晶晶体的生长情况，三天三夜没敢睡觉。后来，他感叹道：“那时确确实实是每一步都严格按照笔记记录的步骤在执行。而且，最后真的独立完成了这个实验，直到今天，这依然是我非常宝贵的一个科研经历。”

2011年，基于优异的表现，金立川入选电子科技大学优博培育计划，两年后他前往美国特拉华大学自旋电子与生物探测中心访问。在特拉华大学的一年多年时间里，可以说是金立川科研生涯中一个备受启发的关键期。与出国前他想象的不同，自旋电子与生物探测中心的研究者并不是喝着咖啡轻松自在地做研究。事实上，他们每个人的科研训练强度都非常大，设备24小时连轴运转。最令金立川感叹的是，学生敢于挑战权威，老师也一再教导学生，要有质疑有讨论，这样才能碰撞出新想法。

同时，研究中心的人学术背景五花八门，大家取长补短，交叉合作，整个团队的氛围、科研思路的设计，令金立川大开眼界。“当时，我的外国导师是研究自旋电子的，他和生物学领域的专家进行了交叉合作，将电子传感器用于测试细胞的DNA。甚至他还想做微纳米机器人，将机器人设计成胶囊，吞到肚子里去捕捉一些身体的信息。”如今这样的设计已不算新鲜事，但是大约10年前，国内对此的研究却尚属空白。初出国门，金立川深深感受到了中国与世界的差距。他心里萌生出，要做出国际水平的研究一定要紧跟国际前沿的想法，他下定决心，回国后务必要在自旋电子领域提前布局。

从引进到自主研发，更低功耗更轻薄

近年来，金立川主研了国家重点研发计划“量子信息与量子调控”专项——自旋波电子学物理、材料与器件。自旋波是磁性材料中磁矩的集体激发，可以低耗散地长距离传播。由于自旋波的特点，利用其进行信息处理的新型信息架构将具有低能耗、可重写、高频率等独特的优点。在自旋波物理、材料和器件上的突破将有可能催生低能耗、可重写、高频率的自旋波计算机的诞生。作为一项前沿研究，他带领团队自2016年至2021年，历经5年结题，取得了显著成果。

磁子晶体管示意图

“我们把之前的微米级单晶做成了纳米级磁性单晶。想要通过量子信息调控粒子行为，就需要把薄膜做得很小，同时还要具备非常低的磁性阻尼，这是一个国际性难题，而我们突破了它，实现了自旋波在晶体中传输距离更远的目标。”5年攻关，通过改良液相外延的熔体配方，他带领团队发展了一系列新的钇铁石榴石（YIG）晶体生长技术，获得了四英寸、三英寸等百纳米厚度的YIG单晶材料，完成了自旋波的激发、探测和器件的研制。

其实，起初投入“量子信息与量子调控”专项时，金立川的目标是想做类似电荷型晶体管的自旋波晶体管研究，并以此代替电荷型晶体管。但由于专项资助时间只有5年，所以未及完成。后来专项结束，他趁热打铁，带头申请了国家自然基金项目并获批。近期，金立川团队研发出了全球第一个多功能自旋波晶体管，国际期刊《先进功能材料》已经刊登了相关研究成果。“在这项研究中，从设计思路到器件制备，再到功能测试，我们全部实现了自主研发，相关专利全部是自主专利。未来，要面向下一代量子信息核心材料与器件，自主研发是必由之路。”他坚定地说道。

M R A M是一种非易失性（N o n-Volatile）的磁性随机存储器。它拥有静态随机存储器（SRAM）的高速读取写入能力，以及动态随机存储器（D R A M）的高集成度，而且基本上可以无限次地重复写入。在近期发表在《先进科学》（Advanced Science）上的研究文章显示，金立川团队通过对重金属Pt自旋霍尔效应外禀机制的调节，发展出兼具巨大自旋霍尔角、低电阻率和COMS工艺兼容等优点的新型Pt-TiO2纳米复合薄膜材料，并基于这一材料制备了高效率和低功耗的自旋轨道力矩器件。据了解，这是目前在室温下获得的世界最高水平的自旋霍尔角纳米复合材料之一，相关研究为巨自旋霍尔材料的研究提供了一条新的路径。金立川补充解释道：“近年来，基于自旋轨道力矩（SOT）效应的新型MRAM、逻辑器件及高频器件受到国际广泛关注，包括英特尔、三星等企业纷纷投入巨资研发SOTMRAM器件。我们的研究就是要突破国外这些器件厂商的技术垄断，用国人自主研发的技术来装备我们航天航空等领域一些关键部件里的存储器芯片。学校有技术，企业有生产线，联合攻关，互相验证，是一种很好的合作方式。”

不懈追赶世界前沿，矢志突破“卡脖子”

2019年，继获得四川省科技进步奖一等奖后，团队又斩获了国防技术发明奖一等奖。相关研究基于此前研发的单晶材料突破了通信系统中信号源的平面化、集成化、宽带化等难点，将体型信号源小球利用薄膜技术制成二维平面，实现了使信号源体积更小、整个装备重量更轻的目标。除此之外，在一些“卡脖子”的核心关键技术上，金立川同电子薄膜与集成器件国家重点实验室的同事进行了大量协作攻关，相关专利技术发明和转让多达30余项，并成功孵化出一家高新技术企业，生产的传感器、信号源等产品供国内多家单位推广应用。

如今，虽然已研发出全球第一个多功能自旋波晶体管，但是金立川并不满足。他说：“微米级的多功能自旋波晶体管尺寸仍然比较大，我们最终要实现的是纳米量级。所以，要真正代替现有的电荷型微电子晶体管，还有很长的路要走。未来，一旦能够突破这一技术难关，相信在整个领域实现弯道超车不是一句空话。我们可以利用自旋波信息器件或量子器件来代替电荷型的微电子器件，不失为一种突破集成电路‘卡脖子’难题的有效手段。从长远来说，人类必将走向量子信息。”

把论文写在祖国大地上，产学研联动做科研，让技术真正服务于国内市场，这是金立川长期以来的心愿。“我希望有一天，我们不再因为技术跟不上而去进口国外的高端科技产品。”因此，在接下来，他会充分利用校企联合实验的广阔平台，攻克存储器芯片的产业化问题，推动相关产业快速发展。此外，聚焦量子信息、思考支撑6G通信的磁性元器件，以及瞄准更低能耗的磁性材料，都是他想要致力的。“尤其6G通信的磁性元器件，目前在国际上一片空白，谁占领了这个制高点，谁就掌握了下一个时代的话语权。”10年、20年、30年，金立川说，人生还长，他希望自己能够在这些方向，尽可能尽一份力。哪怕自己不能够实现，还有一代又一代的学生。前赴后继，从奋起直追到齐头并进，只要不懈向前，总有一天会实现超越。科

钇铁石榴石铁氧体（YIG）晶圆