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毕磊:立足基础,展望前沿 | 材料学院校友访谈(本科生&研究生)联合支队

毕磊

    2000-2006年,清华大学材料科学与工程系,获工学学士,硕士学位 

    2006-2011年,麻省理工学院材料科学与工程系,获博士学位 

    2011-2013年,任职于Micron Technology Inc.

    2013-现在,电子科技大学教授,博士生导师

    研究方向:半导体上的新材料集成



        随着集成半导体行业的发展,光电芯片将成为主流。其中,材料发挥了不可替代的作用。

        对于微电子芯片而言,随着产业发展中材料的迭代,芯片的尺寸得以不断缩小,集成度越来越高;对于光电芯片而言,器件尺寸已与波长相当,难以继续缩小,集成光电材料的多样化可使光电芯片的性能更加多样化,是未来发展的核心驱动力之一。

        为了进一步了解半导体行业,并纾解同学们对未来方向选择的疑惑,8月2日,“大国之材”材料学院校友访谈研究生支队与本科生兴业之材----半导体与芯片校友访谈支队联合,与材料学院校友、电子科技大学教授毕磊学长进行对话与访谈。

        本次实践活动作为材料学院“大国之材”系列活动的重要组成部分,旨在2020年这一特殊时期,响应“攻克疫情,决胜小康”的实践号召,通过研究生与本科生联合访谈材料学院优秀校友,挖掘校友的人生故事,记录校友个人发展经历和从业感悟,发挥校友对同学职业生涯的引导作用,在校友访谈中体会清华精神。同时通过优秀校友-研究生-本科生的三级交流与联动,多层次、立体化地增强实践感悟与效果。


01. 立足基础——本科阶段的学习建议

        关键词:知识   思维   坚持   平衡

        Q1:材料是综合性很强的一门学科,需要数学、物理、化学等理论背景,它给我们提供更多科研方向的选择的同时,也对我们的学科基础提出了很高的要求,但是由于时间有限,材料专业的课程学习存在着广而不精的特点,结合您在清华的学习经历,您有什么看法和建议?

        A1:本科阶段课程学习的“广而不精”不仅存在于材料学科,更是很多学科普遍存在的问题。大学提供给学生的不仅仅是知识,其更主要的目的是培养学生的学习能力,拓展学生的视野。因此,课程讲述的很多内容都是某一研究方向的“引子”。

一般而言,本科以通识教育为主,旨在构建知识体系。学生到研究生时再选择某一领域继续钻研下去。学习是终身进行的事情,很多时候学习方法比知识本身重要。


        Q2:如何看待“四大天坑”的问题?

        A2:四门学科都是实用科学,而非纯粹的理论科学。例如,我同届的同学就有在材料领域成功的学术界和产业界人才,所以我不认为这一说法是正确的。

        造成大家有这样看法的的原因之一,可能是产业界和学术界脱节情况比较严重,在现阶段两者的对接非常少;但这一现实已经在慢慢向好的地方发展。造成这一问题内在的原因是:材料科学的科研是实用性导向的,但涉及内容非常多,包括材料设计、材料制备、材料应用等,从基础理论开始科研,到制备出材料和最终做出器件,战线非常长,需要科研人员有足够的觉悟和坚定的决心。作为科研人员,我们不能短视地只以发文章为导向,最好能够把自己所做的这个领域发掘到底,从材料制备、性能测定到工业化应用,整个流程走到底。最重要的是,一定要把握材料研究的出发点,不忘初心。

        下面分享一下“自己”对半导体材料的一些认识,提升大家对材料学科的信心。1948年已经制备出了场效应晶体管。大家一定觉得早在摩尔定律提出之前,所有的人都在做锗和硅,但是实际上情况是这样吗,不是的,那个时候的情况对于材料学科的发展来说是一个乱世。1971年已经是摩尔定律提出的第五年了,贝尔实验室还在做磁泡存储器,而硅基的内存,闪存仅是多种方案之一,人们对未来用什么材料还不清楚。从今天来看,硅基内存和闪存领域都已经广泛应用了,硅基半导体材料和技术在摩尔定律的驱动下,用滚雪球一样的碾压力成为了主流。但是到了现在,摩尔定律几乎到了尽头,后摩尔时代,提出More Moore, More than Moore和Beyond Moore的技术路线,用什么材料又不可知了,现在到未来的二三十年又将是材料的一个乱世。例如三维集成的半导体材料,光、磁等新功能材料的半导体集成已经出现了。到底是什么材料来主宰未来的发展,成为下一代信息技术的关键?答案可能就在你们手中。


        Q3:基础课和专业课有哪些区别?

        A3:基础课是基本工具,内容相对枯燥,但是所有产业应用的理论基础。例如,Faraday发现了大量电磁现象,Maxwell给出了其数学诠释,提出Maxwell方程组,用数学解释电磁学关系,完成了电磁学的统一,因此后人评价其做出了非常大的贡献。

此外,没有必要纠结于工具内容是否能够得到理解,很多内容到了使用的时候自然而然就能够得到理解。


02.   坚定道路——未来研究方向的选择

        关键词:课程  实践  热门行业与泡沫

        Q4:很多同学在本科阶段对科研方向选择、科研的意义和价值、自身是否适合科研道路等问题十分迷茫,您可以分享一下您的科研经历,并给予我们一些科研方面的建议吗?

        A4:本科毕业时同学们经常在想以后的发展路径应该是什么,是进入学界科研,还是进入业界研发,还是选择转行?

        在我同年级的同学中,毕业时大约有十几位同学直接参加工作,当时的年级总人数是90人。需要强调的是,材料不仅是理论科学,更是直接指导并作用在实业上的科学。在我的本科同学中,就有几位从事新材料研究并将其成功产业化的同学。

        虽然本科的时候不知道适不适合做科研,但可以考虑基于掌握的材料基础知识做一些科研的尝试。第一个建议是多花时间去尝试,如参加系里老师的SRT,尽自己最大的努力去投入。参与了科研训练之后,不要简单的跟着师兄师姐做事情,科研训练的实质是科学思维的训练,而非简单的实验技能训练。

        不同于从小学到本科的学习方法,科学研究是开放的,很多问题需要用归纳的方法去解决,进而培训科学的思维。我当时的项目是做一种荧光粉,通过文献调研、设计实验达到想要的成果;完成整个项目的过程对自己思维的训练是极大的。

        第二个建议是时刻关注世界范围内自己科研领域总体上面临的重大问题与挑战,并结合实验室条件,思考我们能做什么,进而关注某一个具体问题的突破与发展,试图找到问题的答案。科研需要同学们的坚持,不可能是一帆风顺的,苦战方能过关。坚持过黎明前的黑暗,可以学到很多东西,思考开放问题的能力,挑战关注领域的难题,收获科研成果时的喜悦,都是超过科研本身的收获。


        Q5:很多同学面临研究方向的选择时都很茫然,请问学长是如何确定自己的研究方向的?

        A5:清华奠定的研究和学业基础对学业上的发展起到了非常正向的作用。主要是受到老师上课和研究的影响,当时的硕士导师冯嘉猷教授对学术的细致、认真、踏实的研究态度对我有很大的塑造作用。

        关于是否选择热门研究方向,基础研究喜欢集中在一些新的、热门的科学和技术问题上,因为那里才有新的可能性。但所有的技术都会经历一个轮回,从热门到一个拐点的过程会将泡沫去除,沉淀下真的技术而实现产业腾飞。所以不仅要能做热门的东西,还要经历得住从热门到冷门的寂寞,才能最终有所成就。


03.   展望前沿——集成材料的发展现状与前景

        关键词:磁性材料与相变材料 学界与业界  5G

        Q6:当前的实验室研究成果到广泛应用于生产生活还有多远的距离?我国的光学器件产业的发展现状如何?国内的公司有哪些是比较具有技术优势的?

        A6:我比较关注新材料在集成光电子芯片里面的应用,主要关注两种材料,一类是磁性材料,一类是相变材料。

(1)关于磁性材料

        自己做磁性材料的时间比较长,实际从博士阶段就开始做,做相变材料的时间相对短。把磁性材料整合到集成光电子芯片里面去,这个想法是人们近五十年来的梦想。

        自上个世纪七十年代,科研人员注意到磁性材料在光隔离器和环行器中能够大量应用,且性能颇佳开始,就希望把它做到集成光芯片中去。最开始集成光芯片是采用Ⅲ族和Ⅴ族的元素构成的一些有源的半导体材料,今天则是硅基光电子材料。

        当时用了很多种办法,在Ⅲ族和Ⅴ族上做,在硅上做等等,但是这个方向一直都没有走通。在今天,隔离环行这种磁性光学器件应用非常普遍,上网的光猫里就有,光通信骨干网、接入网、光互连系统无所不在。它们能够保证信号传输的稳定性。光隔离器和环行器每年在光通信中的用量大概有一亿只。

        现阶段,所有的器件如激光器、调制器、探测器都在陆续芯片化,但是磁性的光电器件现在还没有集成化,成为集成光电子领域的本征难题,也是集成光学里缺失的最后一环。器件用量如此巨大,却全是分立器件(用大块的晶体组装起来,就像我们看到的镜头、透镜拼起来粘起来),给未来的发展带来非常大的难题。此外,到现在为止这类分立的器件中国仍然无法独立制造,在材料和器件的制备上都存在重大问题。上面说到的光隔离器和环行器,大概每年有八千万只都供给中国,但其中没有一只是中国完全独立自主生产的,关键材料和部件都是进口美国和日本的,其中美国占65%,日本占35%。实现磁性光电器件的半导体集成可以解决这些问题,进一步还决定着磁性材料能不能跨越现在的技术时代,进入到未来的集成光学系统中。

        我们的做法和别人略有不同,UCSB的一位硅光领域的大牛采用的是键合的方式做,东京工业大学的一位教授从1984年就开始做,还有MIT的几位老师,有些人可能做了一辈子也没有发Science和Nature,没有走通,却仍然为着这个理想而奋斗,可见这批学者科研的定力。

        我们离产业化还有多远呢?他们大部分人是用键合的方法做,将做好的单晶直接粘上去,但是这个很难实现大规模生产,我们采用的办法是让材料直接生长上去,进而可以做得很小,也可以实现大规模的、并行的制备。通过一些流片的实验和测试,我们认为自己目前做出的器件是可见报导里性能最好的。

        尽管如此,我们距离产业化前面还有两座大山,还需要在学术界继续发展1-2年的时间才能进入产业化的轨道。我们已经和产业界一些最顶级的公司在合作,共同推行产业化发展。他们对此的需求量是非常非常大的,因此我们必须用单片的方式去解决。

        我们的工作不仅限于制备目前技术框架下的核心器件,例如光隔离器和环行器,磁性器件的集成化还带来其他领域很多新的可能性。例如,将磁性的东西做上去之后还可以使用磁性的动态特征,用来做一些信号的处理。例如,我们可以做光磁集成。光是一个相干体系,而半导体中电子的相干性并没有那么强。把电子激发到半导体的导带上之后,很快就会发生声子散射,从而丧失其相干性。在未来的量子体系中,是需要相干系统的信号去传输的,而光和磁是相干的,所以光磁集成非常重要的意义在于:信号可以从一个相干体系转化到另一个相干体系,这是非常重要的性质。因此,我们说的材料可能是未来光电子芯片中的核心驱动力,它可以带来不一样的东西,这可能是一个例子。

        从半导体技术的发展历史来看,光与磁的结合也非常有意思。我们回顾微电子和光电子的发展,微电子一开始也是分立的器件,后来集成到了芯片上;光电子一开始也是分立,如大的光纤等部分,后来也逐渐集成。磁学最开始也在做集成,如磁带录像带等,但是走了不太一样的路线,后来用了磁头和磁盘进行读取,但是现在半导体存储的量和成本都在超越传统磁存储。今天,磁性材料开始往自旋电子学方向发展,利用spin transfer torque(自旋转移力矩)和spin orbit torque(自旋轨道力矩),用电流翻转磁矩,用于存储,实现与微电子芯片的融合。今天集成光电子技术也在腾飞,磁学也要和光电子芯片结合,然而相关的研究还不多。我认为这一领域是相当广阔,未来的影响也会是相当深远的。


(2)关于相变材料

        相变过程伴随着材料光学性能的巨大变化,有什么用呢?今天我们知道电光、磁光、热光等现象只能给材料折射率带来0.01、0.001的变化,需要特别长的器件才能改变光波传输的特性,但是材料的相变过程可以直接给折射率带来0.1~1量级的变化,因此把器件做得更小,便于集成化。

        2016年《Science》的十大科学进展中,其中之一就是平面透镜。原有的凸透镜是一个三维的体系,而平面透镜实现了降维打击,从厘米级、毫米级直接变到了波长的量级(百纳米),将此前“又厚又大的”器件几乎平面化。对于光电子的微纳化和低维化,物理参数变化范围非常大的相变材料就很重要了。磁性材料已经在做产学研结合了,但是相变材料还没有找到特别合适的,在进入产业界之前可能在学术研究方面还有不少路要走。


        Q8.请问目前中国在光学的研究和产业化领域分别处于世界的什么地位?您对光学器件领域未来的发展方向和应用前景有什么期待和展望?尤其在即将到来的5G时代背景下,光学器械与光学传感器方面是否也会迎来新的发展机遇,随之而来的挑战是什么呢?

        A8. 光芯片发展的一个很大的驱动力就是信息传输速度的加快,如5G的发展,带宽的提升,数据中心数据存储和传输量的上升。

        现有的光通信器件难以支撑5G或6G系统发展的原因之一是器件太大了,成本太高了,因此要做成光电芯片。材料能解决芯片一部分的问题,应对带宽和传输能力提高的挑战。如现在的调制器,用硅材料100Gbps以上就比较困难,而其他的一些新材料如LiNbO3 on Si已经可以到300Gbps。在高速光电芯片中,要求信号非常稳定,这就需要光隔离器与环行器,需要磁性材料来解决这个困境。


        Q9:学术界和产业界的相同和不同之处,业界的经历对学术界有什么影响?

        A9:MIT毕业学生的去向一般是“三分天下”:金融和投资行业、学术界和产业界。很多人会考虑去产业界工作。企业的研发部节奏非常快,内容相当多,每天都有组会。并且随着后摩尔时代的到来,企业研究的半导体集成材料选取非常广泛,任何的材料,包括大量的非硅基材料,都可以用于研发。由于复杂材料能够实现非常好的性能,企业会换用各种新材料,而非单纯做延续摩尔定律的工作。

        再回归到学术界,学术界相对于产业界更加自由,在学术界中能够独立发展研究方向。企业的研发,总体还是更固定一些而缺乏灵活度,有硬性的工作规定;学术界能够界定自身的未来发展方向,且能够更多体现个人的credit,而非工业界的以公司为单位进行评判。在学术界需要更高的投入,也会有更高的回报。

        我在半导体产业界和学术界都工作过,在半导体产业界的经历让我看到了新材料从研究,研发到量产的过程,坚定了对新材料的发展信心。投身学术界以后,如何研究新材料并满足集成光电子等半导体产业的发展,如何推进新材料的集成和应用,产业界的经历也给了我一个清晰的图像。

        短暂的一个多小时的访谈让我们受益匪浅,不仅了解了我国半导体发展的成果与优势,也认识到了技术的局限与不成熟,同时,学长也为我们解答了本科阶段和研究生阶段的迷茫与疑惑。不管我们将来身处哪一个行业,都会不忘初心,砥砺前行。


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毕磊学长与支队同学的合影



策划 | 材料学院校友访谈(本科生&研究生)联合支队

访谈嘉宾 | 毕磊学长

会议记录整理&文案 | 顾书扬  梁诗萱

排版 | 宋含箫

审核 | 龙圆正  江国琛


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