半導(dǎo)體集成電路是電子信息工業(yè)的“食糧”，更是大國(guó)博弈的戰(zhàn)略焦點(diǎn)。四十年來，西安電子科技大學(xué)楊銀堂教授始終以服務(wù)國(guó)家重大需求為己任，在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器集成電路設(shè)計(jì)、集成電路低功耗技術(shù)、三維異構(gòu)集成系統(tǒng)理論和技術(shù)研究領(lǐng)域取得了多項(xiàng)創(chuàng)新性、突破性科研成果，為我國(guó)混合信號(hào)集成電路技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展做出了突出貢獻(xiàn)。
甘坐“冷板凳” 潛心做研究
1977年，作為恢復(fù)高考后的首批大學(xué)生，15歲的楊銀堂以優(yōu)異成績(jī)考入西北電訊工程學(xué)院（今西安電子科技大學(xué)）半導(dǎo)體專業(yè)學(xué)習(xí)。四年后，品學(xué)兼優(yōu)的他成功考上了本校的研究生，于1984年8月獲得碩士學(xué)位并留校任教，從此開始了近40年的集成電路教學(xué)和研究生涯。
所謂半導(dǎo)體集成電路，就是現(xiàn)在全社會(huì)廣泛關(guān)注的芯片技術(shù)。與當(dāng)前國(guó)家已把發(fā)展集成電路產(chǎn)業(yè)上升為國(guó)家戰(zhàn)略的高度關(guān)注形勢(shì)不同，早在上世紀(jì)八十年代，當(dāng)楊銀堂叩響這一領(lǐng)域的大門時(shí)，半導(dǎo)體集成電路還是一個(gè)相對(duì)基礎(chǔ)和寂寞的專業(yè)，遠(yuǎn)沒有現(xiàn)在紅火。
那時(shí)候國(guó)內(nèi)的集成電路技術(shù)水平還比較低，能參考的資料也很少，很多工作都需要從零開始。面對(duì)這樣艱苦的形勢(shì)，楊銀堂和同事們堅(jiān)定不移地選擇了從原始創(chuàng)新技術(shù)做起，毫不猶豫地將個(gè)人科研理想與黨和國(guó)家需要結(jié)合起來、將個(gè)人奮斗融入國(guó)家建設(shè)需求當(dāng)中?！皣?guó)家的需求，就是我們努力的方向。那時(shí)候沒有工藝設(shè)備，我們就從基礎(chǔ)部件做起，一點(diǎn)點(diǎn)突破”，楊銀堂說。
實(shí)現(xiàn)“從0到1”創(chuàng)新研制新設(shè)備
薄膜材料生長(zhǎng)和微細(xì)圖形刻蝕是集成電路生產(chǎn)的關(guān)鍵工藝。在西方國(guó)家長(zhǎng)期封鎖的背景下，我國(guó)集成電路工業(yè)急需微細(xì)加工關(guān)鍵技術(shù)。楊銀堂立足國(guó)內(nèi)現(xiàn)狀，以關(guān)鍵科學(xué)問題的突破支撐工程技術(shù)進(jìn)步，在自主可控集成技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用方面取得了重要成果。
1997年，楊銀堂帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)承擔(dān)了國(guó)家重點(diǎn)工程微波ECRCVD設(shè)備研制任務(wù)，這是采用微波電子回旋共振等離子體方法進(jìn)行集成電路薄膜制備和微細(xì)加工新技術(shù)。這在當(dāng)時(shí)，屬于國(guó)家重大工程急需技術(shù)，但受制于當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)技術(shù)設(shè)備的匱乏，研制難度非常大。
考慮到設(shè)備核心是電子回旋共振等離子體源，楊銀堂帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)從微波、電磁場(chǎng)、等離子體等理論的學(xué)習(xí)梳理入手，深入研究產(chǎn)生機(jī)理和維持條件，科學(xué)構(gòu)建氣體放電等離子體模型，系統(tǒng)分析國(guó)際上相關(guān)技術(shù)的特點(diǎn)和局限性，歷經(jīng)一次次實(shí)驗(yàn)探索，終于啃下了這塊“硬骨頭”！從當(dāng)時(shí)漸趨成熟的新型磁性材料入手，楊銀堂帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)打開思路，大膽提出摒棄國(guó)際已有的同軸線圈磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)，發(fā)明出了基于稀土永磁材料磁場(chǎng)的分布式ECR源，使等離子體源的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了革命性的變化，在使其成本、體積、重量顯著減小的同時(shí)，大幅提高了等離子體的面積、密度和均勻性。不僅如此，團(tuán)隊(duì)還攻克了大腔體氣流場(chǎng)、襯底基座控制、等離子體診斷、氣路系統(tǒng)、真空系統(tǒng)等關(guān)鍵技術(shù)，破解了一個(gè)個(gè)在當(dāng)時(shí)看來不可能的難題。
為保證進(jìn)度，寒冬時(shí)節(jié)，楊銀堂和同事在加工設(shè)備工藝系統(tǒng)的東北外協(xié)工廠旁一住就是一個(gè)多月，每天冒著零下20多度的嚴(yán)寒，來到車間與工人一起工作、解決加工生產(chǎn)中的難題，經(jīng)過多方艱苦準(zhǔn)備，終于如期完成設(shè)備加工工作。
待整個(gè)設(shè)備裝配完成后，等離子體放電實(shí)驗(yàn)一次成功，各項(xiàng)指標(biāo)完全達(dá)到設(shè)計(jì)要求，實(shí)現(xiàn)了優(yōu)質(zhì)介質(zhì)薄膜的室溫淀積與微細(xì)加工，主要工藝性能指標(biāo)達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，成功應(yīng)用于國(guó)家重大工程，并入選國(guó)家重點(diǎn)新產(chǎn)品、為我國(guó)超大規(guī)模集成電路工藝技術(shù)的發(fā)展做出重要貢獻(xiàn)。
筑夢(mèng)“中國(guó)芯” 架起通往數(shù)字世界的橋梁
如何快速準(zhǔn)確地將人類感知的自然界連續(xù)變換的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，這是電子信息領(lǐng)域的一大技術(shù)難題，而完成這一任務(wù)的核心就是數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器——它不僅是雷達(dá)、通信、儀器儀表、物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的關(guān)鍵器件，更直接決定著這些裝備的性能，一直以來都是美國(guó)和西方對(duì)我國(guó)重點(diǎn)管控的卡脖子技術(shù)。
面對(duì)國(guó)外壟斷，楊銀堂堅(jiān)定為國(guó)奉獻(xiàn)信念，堅(jiān)持自主創(chuàng)新，矢志打破這一技術(shù)壁壘。他帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)瞄準(zhǔn)國(guó)家重大需求，潛心鉆研、深耕實(shí)踐，提出了新型可重構(gòu)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的系統(tǒng)架構(gòu)和轉(zhuǎn)換方法，發(fā)展了模擬集成電路數(shù)字化設(shè)計(jì)的思想，突破了模擬采樣、數(shù)字校準(zhǔn)關(guān)鍵技術(shù)，基于國(guó)內(nèi)自主工藝，研制出系列高性能數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器芯片。該芯片可重構(gòu)的CMOS模數(shù)轉(zhuǎn)換器IP核精度達(dá)到6-14位，基于時(shí)間域轉(zhuǎn)換的新型模數(shù)轉(zhuǎn)換器速度、精度、效率大幅提升，處于國(guó)際先進(jìn)水平，滿足了雷達(dá)、對(duì)抗、超聲成像等系統(tǒng)對(duì)高速高精度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換技術(shù)的急需，提升了關(guān)鍵芯片的自主可控能力，成功應(yīng)用于重點(diǎn)工程。
在2019年度國(guó)家科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)評(píng)選中，由楊銀堂牽頭完成的“高效模數(shù)轉(zhuǎn)換器和模擬前端芯片關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用”項(xiàng)目榮獲國(guó)家技術(shù)發(fā)明二等獎(jiǎng)，他提出的模數(shù)轉(zhuǎn)換器集成電路新架構(gòu)、建立的模擬集成電路可重構(gòu)體系和方法，有力推動(dòng)了我國(guó)混合信號(hào)集成電路技術(shù)走向國(guó)際前列，得到了同行的認(rèn)可和好評(píng)。
開辟新途徑為集成電路“節(jié)能減排”
如今，電子信息技術(shù)的廣泛應(yīng)用使得集成電路耗能問題日益凸顯，集成密度的不斷提高更推動(dòng)集成電路進(jìn)入功耗限制時(shí)代。功耗直接決定了集成電路能否實(shí)現(xiàn)和性能優(yōu)劣，成為了整個(gè)行業(yè)亟待解決的重大問題。
楊銀堂較早關(guān)注到了集成電路能耗巨大這一難題。為降低能耗，在國(guó)家自然科學(xué)基金杰出青年基金支持下，楊銀堂帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)，從芯片的器件、電路、系統(tǒng)等逐層攻關(guān)，提出了多層次能耗理論，建立了片上網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)模型和全局異步局部同步技術(shù)，突破了模擬集成電路低壓低功耗技術(shù)，使單元器件功耗達(dá)到納瓦級(jí)超低水平，完成了用于系統(tǒng)集成和功率管理的多層次系統(tǒng)芯片低功耗設(shè)計(jì)技術(shù)。
歷經(jīng)長(zhǎng)期探索，這項(xiàng)技術(shù)已廣泛應(yīng)用于集成電路骨干企業(yè)，在移動(dòng)終端、空間電源、交換芯片、傳感器系統(tǒng)等芯片功耗方面取得了顯著成效，對(duì)我國(guó)電子領(lǐng)域節(jié)能減排發(fā)揮了重要作用，并榮獲2016年度國(guó)家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)。
三維異構(gòu)集成于微觀世界“起高樓”
隨著微細(xì)加工水平的不斷提高，超大規(guī)模集成電路工藝正式進(jìn)入納米階段，傳統(tǒng)集成電路面臨著量子力學(xué)物理和加工工藝雙重極限。與此同時(shí)，光刻機(jī)等我國(guó)集成電路工業(yè)關(guān)鍵技術(shù)和設(shè)備受到美國(guó)和西方禁運(yùn)，許多國(guó)家重大工程急需的芯片供應(yīng)面臨問題，急需尋找解決之道。
面對(duì)這種嚴(yán)峻局面，楊銀堂與團(tuán)隊(duì)選擇了迎難而上、埋頭攻關(guān)。他們是從國(guó)內(nèi)具體情況出發(fā)，經(jīng)過長(zhǎng)期研究和實(shí)驗(yàn)，提出了多芯片組件的路線，以低溫共燒陶瓷材料為多層布線基板，將多個(gè)裸芯片組裝于陶瓷基板上，實(shí)現(xiàn)集成規(guī)模的提升和多種芯片的集成，研制成功了微型雷達(dá)、光電導(dǎo)引前端等重點(diǎn)裝備部件。
隨著研究的不斷深入，楊銀堂又在國(guó)內(nèi)率先開展了硅片通孔互連和三維集成技術(shù)的研究，發(fā)明了同軸通孔、雙環(huán)、差分屏蔽等多種通孔結(jié)構(gòu)，以硅片通孔和硅基轉(zhuǎn)接板片為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)了集成電路的異質(zhì)異構(gòu)三維集成，將集成電路由單片平面拓展到多片三維，建立了基于自主工藝的三維異構(gòu)集成設(shè)計(jì)方法和設(shè)計(jì)平臺(tái)，在有限工藝條件下實(shí)現(xiàn)了大規(guī)模異質(zhì)異構(gòu)集成，促進(jìn)了我國(guó)自主可控集成技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，應(yīng)用于國(guó)內(nèi)軍用三維集成生產(chǎn)線，有力保障了國(guó)家重大工程。
潛心育人四十載桃李滿天下
作為一名高校教師，楊銀堂始終不忘立德樹人的初心，堅(jiān)持為黨育人、為國(guó)育才的使命。他常對(duì)青年教師說，“教師是高等教育的主體，對(duì)高校教師提出的，便是教學(xué)能力和科研水平的雙重要求”。
任教四十年來，楊銀堂把教育教學(xué)作為自己的第一職責(zé)，始終堅(jiān)守教學(xué)科研一線，堅(jiān)持主講《半導(dǎo)體集成電路》等本科主干課程，出版了《現(xiàn)代半導(dǎo)體集成電路》等多部教材。從1997年擔(dān)任西電微電子研究所所長(zhǎng)起，他狠抓本科和研究生教學(xué)工作，推進(jìn)課堂教學(xué)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)和科研實(shí)踐相結(jié)合，助力學(xué)校微電子學(xué)科水平快速提升并于2003年獲準(zhǔn)建設(shè)首批國(guó)家集成電路人才培養(yǎng)基地，躋身國(guó)內(nèi)前列。在此基礎(chǔ)上，國(guó)內(nèi)第一個(gè)獨(dú)立設(shè)置的微電子學(xué)院建設(shè)成功，成為我國(guó)微電子和集成電路人才培養(yǎng)的重要基地，并陸續(xù)獲批了首批國(guó)家示范性微電子學(xué)院、國(guó)家集成電路學(xué)院。
在教好專業(yè)知識(shí)的同時(shí)，楊銀堂還十分重視學(xué)生思想政治教育。他主持開展了學(xué)?！叭萌小毖芯可鷮?dǎo)學(xué)團(tuán)隊(duì)的培育建設(shè)，建成了70多支優(yōu)秀研究生導(dǎo)學(xué)團(tuán)隊(duì)，營(yíng)造了濃郁的研究生導(dǎo)學(xué)文化氛圍，形成了特色鮮明的育人品牌，“三好三有導(dǎo)學(xué)團(tuán)隊(duì)育人模式”獲得了陜西省教學(xué)成果特等獎(jiǎng)。他牽頭完成的“研究生‘三好三有’導(dǎo)學(xué)思政育人體系的創(chuàng)新與實(shí)踐”項(xiàng)目還榮獲了2022年國(guó)家級(jí)教學(xué)成果二等獎(jiǎng)。
桃李不言，下自成蹊。多年來，楊銀堂精心培養(yǎng)了博士生64人、碩士生216人，其所帶團(tuán)隊(duì)入選了國(guó)家自然科學(xué)基金優(yōu)秀創(chuàng)新群體、科技部重點(diǎn)領(lǐng)域創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)，所指導(dǎo)的學(xué)生畢業(yè)后在各行各業(yè)表現(xiàn)突出，有的成長(zhǎng)為國(guó)家杰出青年基金獲得者、教育部長(zhǎng)江學(xué)者，有的成為行業(yè)主流公司創(chuàng)始人，大批學(xué)生成長(zhǎng)為科研院所和企事業(yè)單位的骨干，成為我國(guó)集成電路技術(shù)創(chuàng)新和行業(yè)發(fā)展的一支重要力量。
多年來，楊銀堂先后主持完成了國(guó)家自然科學(xué)基金重大項(xiàng)目、國(guó)家杰出青年基金、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、裝備型號(hào)研制等科研任務(wù)30余項(xiàng)，在國(guó)際重要學(xué)術(shù)刊物發(fā)表論文500余篇，出版學(xué)術(shù)專著8部，授權(quán)國(guó)家發(fā)明專利78項(xiàng)，以第一完成人獲得國(guó)家技術(shù)發(fā)明二等獎(jiǎng)1項(xiàng)、國(guó)家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)1項(xiàng)、三等獎(jiǎng)1項(xiàng)，省部級(jí)科技成果一等獎(jiǎng)4項(xiàng)。榮獲“全國(guó)模范教師”“中國(guó)青年科技獎(jiǎng)”“陜西省有突出貢獻(xiàn)專家”“陜西最美科技工作者”“中國(guó)電子學(xué)會(huì)十佳優(yōu)秀科技工作者”等多項(xiàng)獎(jiǎng)勵(lì)稱號(hào)，入選國(guó)家“百千萬人才工程”。
(文/史倩云)
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