人物简介
刘驰，中国科学院金属研究所研究员，北京大学微电子学与固体电子学博士。长期聚焦新原理微纳电子器件前沿基础研究与关键技术攻关，原创提出“注入-激发”双模态热载流子调控策略，构建新型热载流子晶体管体系，实现0.38 mV/dec超低亚阈值摆幅等多项国际领先性能纪录，突破传统微电子器件物理极限。入选国家高层次人才计划青年拔尖人才、辽宁省杰出青年等重要人才项目，为后摩尔时代微纳电子器件发展开辟全新技术路径。
科研项目
主持国家自然科学基金原创探索计划等国家级、省部级项目10余项，涵盖新原理微纳电子器件的机制探索、材料制备与器件集成等关键环节。
学术成就
以第一/通讯作者在Nature等国际顶级期刊发表高水平论文50余篇。提出“注入-激发”双模态热载流子调控策略，构筑新型热载流子晶体管体系，实现0.38 mV/dec超低亚阈值摆幅、132 GHz垂直二维晶体管截止频率、126石墨烯器件峰谷电流比等多项国际领先性能纪录。相关成果入选中国芯片科学十大进展，荣获辽宁省自然科学一等奖，为后摩尔时代低功耗、高速计算提供原创性器件新范式。
推广实效
研究成果突破传统晶体管物理极限，在低功耗芯片、太赫兹通信、感算一体等方向展现出明确应用前景。石墨烯等材料与器件同步推进晶圆级制备和标准化工艺优化，为从实验室走向产业化奠定基础。成果入选中国芯片科学十大进展，对辽宁乃至全国集成电路与新材料产业具有正向牵引作用，带动高质量低维材料需求与产学研对接。
一、科研品味与知识魅力的塑造者
1.晶体管功耗与电流增益截止频率等难题，与我的专业、兴趣方向一致
提问：您为何选择新原理微纳电子器件作为核心研究方向？在北大攻读博士期间，哪些经历坚定了您深耕微电子底层器件的科研道路？
刘驰：选择新原理微纳电子器件作为核心研究方向，其实是一个逐渐聚焦的过程。晶体管作为集成电路的核心元件，其性能直接决定了整个芯片的能力边界。随着摩尔定律逐渐逼近物理极限，传统晶体管在功耗和速度上面临根本性挑战。比如在数字领域，受玻尔兹曼热力学分布约束，亚阈值摆幅存在60 mV/dec的理论极限，这构成了功耗降低的“墙”；在射频领域，传统晶体管的电流增益截止频率也难以满足6G通信对太赫兹级工作频率的需求。这些根本性难题恰恰是最需要从器件物理层面去突破的，也正是我感兴趣的方向。
在北大攻读博士期间，我主要做硅基器件的建模与仿真工作，比如建立了片上互连的瞬态响应解析模型，也研究了多晶硅薄膜晶体管中的浮体效应。这些经历让我对器件内部的载流子输运物理有了比较扎实的理解。博士期间的训练让我认识到，器件创新的根基在于对物理机制的深刻理解，这也坚定了我后来深耕微电子底层器件的道路。
2. 研究品味逐步建立，深耕热载流子晶体管方向
提问：从北京大学博士到中科院金属所研究员，您如何完成从基础研究者到项目负责人的身份转变？最关键的成长节点是什么？
刘驰：2013年博士毕业后，我去了日本东京大学跟随�B海明教授做博士后，主要研究锗基器件的界面钝化和异质结制备。在东京大学的三年，我学会了独立设计实验、制备器件、分析数据，也逐渐形成了自己的研究品味。
2016年11月，我加入中国科学院金属研究所沈阳材料科学国家研究中心，这是一个很重要的转折点。金属所在低维材料领域有非常深厚的积累，比如石墨烯、碳纳米管等。当时我想，能不能把这些新材料引入到电子器件里，来解决传统器件面临的一些根本性问题？从那时起，我开始逐步建立自己的研究方向，从副研究员到项目研究员再到研究员。
最关键的成长节点，我觉得是2019年我们首次在Nature Communications上发表硅-石墨烯-锗晶体管的工作。那篇文章获得了比较高的关注，也让我们更加坚定了热载流子晶体管这个方向。之后，我们围绕这个方向持续深耕，先后获得了面上项目、原创探索计划项目的资助。
3.材料―器件一体化，根据器件需求，指导材料设计与制备
提问：微电子与材料科学交叉性极强，您如何将金属所材料优势与微纳电子器件研究相结合，形成独特的科研方向？
这个问题问得很好。金属所最突出的优势就是材料研究，尤其是以成会明院士、任文才和孙东明研究员等为代表的碳材料团队，在石墨烯生长与转移方面处于国际领先水平。我的思路是“材料-器件一体化”：不是被动地拿现成材料来做器件，而是根据器件的需求，反过来指导材料的设计与制备。
一个很好的例子是我们做热发射极晶体管的时候，需要高质量、大面积、与锗衬底有良好界面的石墨烯。任文才老师团队的马来鹏研究员专门为我们设计制备方案，前前后后提供了几十次材料，不断优化工艺参数。正是有了这种深度的材料-器件协同，我们才最终实现了高性能器件。可以说，这种跨团队、跨学科的合作模式，是我们能做出特色工作的重要保障。
4.知识魅力与趋势探知，形成科研信念与长期主义
提问：面向国家芯片产业重大需求，是什么信念支撑您长期专注于新原理器件这类周期长、难度高的基础前沿研究？
刘驰：坦率地说，做新原理器件确实周期很长、风险很高。一个概念从提出到实验验证，可能要三五年甚至更久。比如我们的热发射极晶体管，2019年底我画出了第一张速写手稿，但真正制备出能够稳定工作的器件，又花了好几年时间。
支撑我走下去的信念，主要有两点。第一，芯片是现代信息技术的基础，而晶体管是芯片的核心。如果我们的器件原理本身受制于物理极限，那么整个产业链的长期发展就会受到制约。做底层器件研究，就是在为未来“储备可能性”。第二，科研本身有一种巨大的智识魅力。当你提出一个新的器件概念，从理论推导到仿真验证，再到亲手制备出器件，最后测出那个预期中的电流-电压特性――尤其是在经历漫长失败后终于看到信号的那一刻，那种感觉是很难用言语形容的。就像我们2020年9月第一次测出那个有电流突增的器件时，真的就像在黑暗中看到了第一缕光。
金属所科研成果入选“Chip 2024中国芯片科学十大进展”，刘驰研究员(右一)代表团队领奖二、技术攻坚与创新路径
5.跳出热平衡框架的载流子主动驾驭策略
提问：您原创提出“注入-激发”双模态热载流子调控策略，其核心科学思想是什么？与传统器件调控机制相比有哪些本质创新？
刘驰：传统晶体管，不管是什么结构，本质上一般都是通过调控热平衡态的载流子，而我们提出的“注入-激发”双模态策略，核心思想是跳出热平衡的框架，主动驾驭热载流子。“粒子注入”模式，是通过肖特基结发射等效应，让载流子以高于热平衡的能量进入新空间，比如我们硅-石墨烯-锗晶体管的工作机制；“粒子激发”模式，是利用光等外部激励产生非平衡载流子，比如我们的光栅发射机制。最关键的是第三种――把“注入”和“激发”耦合起来，形成受激发射效应。这就好比先往火箭里装入燃料，然后点火引燃，产生瞬间的巨大能量释放。基于这个机制，我们构筑了热发射极晶体管。本质创新在于：传统器件是控制热平衡载流子的流动，我们则是创生和调控非平衡热载流子，从而在物理上走出了一条不同以往的新路。
6. 实现大幅降低芯片供电电压和功耗，提升计算能力
提问：您团队实现0.38 mV/dec超低亚阈值摆幅国际纪录，这一突破对低功耗芯片、先进微电子器件意味着怎样的颠覆性价值？
刘驰：这个指标的颠覆性在哪里？要理解这一点，需要先知道一个背景：传统MOSFET的亚阈值摆幅在室温下有一个理论极限，就是60 mV/dec。这意味着，想让电流提高一个数量级，至少需要60毫伏的电压。对于追求低功耗的芯片来说，这个“门槛”是个很头疼的限制。
我们实现0.38 mV/dec，什么意思呢？就是只用不到1毫伏的电压，就能让电流提升一个数量级。把这个指标和传统器件的60毫伏放在一起看，差别非常显著。这意味着，如果这种器件未来能够进入实际应用，芯片的供电电压和工作功耗都可能大幅降低，对移动设备、数据中心、物联网节点等对功耗极为敏感的场景意义重大。
另外，我们在同一个器件中还实现了负微分电阻和126的峰谷电流比，室温下就可以用于多值逻辑计算。一个器件不只做0和1的开关，而是可以表示多个状态，这意味着计算能力的本质性提升。
7. 画出的第一张器件结构草图，到能工作的器件，隔了近一年时间
提问：从理论构想、材料选型、器件制备到性能验证，您在攻关新型热载流子晶体管过程中遇到的最大科学与技术难题是什么，如何突破？
刘驰：最大的难题，是让“受激发射”这个效应在一个实际的晶体管结构里可控地发生。
2019年底的那个清晨，我有了这个构想，在白板上画出了第一张器件结构草图。但从草图到能工作的器件，中间隔了将近一年。2020年我们开始带学生制备器件，前两个月做了十几个，没有一个展现出预期性能。要么是没有显著电流变化，要么是电流密度不够。那段时间确实压力很大，因为你不确定是概念本身有缺陷，还是工艺没做到位。
9月的一天，我自己到实验室重新测了一批器件，在某个偏置条件下，终于看到了剧烈的电流增长和明显的负微分电阻。这个突破之后，后面的进展就相对快了――我和孙东明研究员一边带领学生优化材料和工艺，一边请北京大学张立宁教授团队做器件仿真，理论和实验相互印证，逐步把机制弄清楚，最终能够稳定制备、稳定复现。
这个过程中，除了团队内部的努力，马来鹏研究员在石墨烯材料上的持续支持，以及成会明院士在整体方向上的指导，都起到了非常关键的作用。
8. 以新原理器件不同路径击穿尺寸、功耗、存储三堵墙
提问：后摩尔时代传统晶体管逼近物理极限，您研发的新原理器件如何解决功耗、尺寸、效率三大核心瓶颈？
刘驰：后摩尔时代的困境，可以用“三堵墙”来概括。第一是“尺寸墙”――继续缩小晶体管尺寸，量子隧穿效应会让器件无法正常关断；第二是“功耗墙”――散热跟不上，芯片被“热死”；第三是“存储墙”――计算单元和存储单元之间的数据搬运消耗了大量时间和能量。
我们的新原理器件从不同路径来应对这些挑战。针对功耗墙，热发射极晶体管的0.38 mV/dec亚阈值摆幅，在超低电压下就有望实现大的电流开关比，工作电压和功耗都可以大幅降低。针对尺寸和速度墙，我们的硅-石墨烯-锗势垒晶体管采用垂直结构，载流子渡越距离极短，同时肖特基发射机制让载流子以高速注入，实现了132 GHz的截止频率，这是垂直结构二维晶体管中最高的，展现了太赫兹应用潜力。
解决存储墙，我们的思路是多功能融合。比如用光控二极管实现截止到整流的转换、用双电容晶体管同时感知动态和静态信号、用热发射极晶体管做多值逻辑――一个器件完成多种功能，或者在单个器件内实现计算与存储的融合，减少数据搬运，自然也就提升了整体效率。
三、科研项目与学术成果
9. 锚定“一级问题”的选题根本性，坚持容忍失败的耐心
提问：您主持国家自然科学基金原创探索计划等10余项项目，这类高风险高前沿项目，您在选题与攻关思路上有哪些独特经验？
刘驰：基金委的原创探索计划项目，明确鼓励“从0到1”的原创研究。能获得支持，说明热载流子新机制这个方向得到了领域专家的认可。
在选题上，我个人的体会是要找到“一级问题”――就是这个领域的“第一性问题”。比如对晶体管领域来说，60 mV/dec的玻尔兹曼极限就是一级问题，谁能突破它，谁就开辟了新战场。选题要锚定这样的根本性问题。
在攻关思路上，我比较注重三件事。一是理论与实验要紧密咬合，我们很多工作都是和理论仿真团队同步推进的。二是材料与器件要深度协同，不能各做各的。三是容忍失败的耐心。原创探索往往要经历一段漫长的“黑夜期”，可能很长时间没有拿得出手的成果，但这恰恰是需要坚持的阶段。
10.物理新机制、性能新纪录与器件新范式的三维度统一
提问：以第一/通讯作者在Nature等顶刊发表50余篇高水平论文，您认为微纳电子领域的原创成果，最核心的评价标准是什么？
刘驰：我认为核心标准有三个层次。第一层是物理新机制――你有没有发现或建立一种新的器件物理，比如我们的受激发射机制、光栅发射机制。第二层是性能新纪录――在机制创新的基础上，你有没有实现超越现有报道的最优性能指标，比如0.38 mV/dec的亚阈值摆幅、1.8×10⁷的电流增益。第三层是器件新范式――你的成果有没有为后续研究打开一个新的空间，能不能成为一个新方向的原点。我在审稿或评价工作时，会比较看重这三个维度的统一。
11.先验证物理概念可行，再用更可制造的材料和工艺去替代
提问：基础研究与应用落地往往存在跨度，您如何平衡原创理论探索与器件工程化可行性之间的关系？
刘驰：这个平衡确实比较难把握。我的处理方式是分阶段来看。在早期探索阶段，我倾向于优先保证机制的清晰性和性能的极限性，材料甚至可以用不那么“工程友好”的方案，先验证物理概念可行。概念验证通过之后，再逐步用更可制造的材料和工艺去替代，比如我们后来尝试了晶圆级石墨烯、标准化界面钝化工艺等。
另外，我们在选题时就会优先考虑那些天然具有工程化潜力的材料体系，比如硅、锗、石墨烯，这些都不是偏门材料，与现有半导体工艺有较好的兼容性。这样，一旦器件原理被验证，后续的工程化过渡就有了比较好的基础。
右起：孙东明研究员、孙陨副研究员、冯顺副研究员、刘驰研究员、博士生韩如月、李波副研究员四、成果价值与产业赋能
12. 技术特性上值得关注的三个应用场景
提问：您的成果入选中国芯片科学十大进展，这项技术未来可应用于芯片、传感、计算等哪些关键场景？
刘驰：谢谢Chip期刊和评委的认可。从技术特性来看，我认为有几个应用场景值得关注。在低功耗计算方面，热发射极晶体管和多值逻辑电路可用于边缘AI芯片，实现低功耗推断。在高速通信方面，硅-石墨烯-锗势垒晶体管的132 GHz截止频率展现了太赫兹应用的潜力，有望服务于6G通信系统。在智能传感方面，我们的光控二极管、双电容晶体管等新型光电器件，可以用于同时感知动态和静态信号，在自动驾驶、工业检测等场景可能有独特价值。目前这些都还处于基础研究阶段，我们的首要任务是把器件物理研究透彻，为未来的应用奠定扎实的基础。
13. 依托全链条材料优势推动器件批量化制造
提问：作为中科院金属所研究者，您如何依托材料科学优势，推动微纳电子器件从实验室走向产业化应用？
刘驰：金属所在材料领域的全链条布局是我们的核心优势。从任文才老师团队的材料生长，到孙东明研究员和我所在团队的器件设计与系统集成，形成了“材料-器件-系统”的完整链条。
在材料端，我们现在已经能够实现晶圆级石墨烯的可控制备和大面积MXene薄膜的图形化，这为器件的批量化制造奠定了基础。在器件端，我们在逐步优化工艺，提高成品率和均匀性。另一方面，我们也在主动和企业交流，带着研究成果去对接，了解产业界的真实需求，让实验室方向不脱离应用导向。
14.科教优势和产业底蕴，通过基础研究突破带动技术创新和产业升级，是一条值得持续走下去的路
提问：您荣获辽宁省自然科学一等奖，这项成果对辽宁乃至全国集成电路与新材料产业有哪些带动作用？
刘驰：获得辽宁省自然科学一等奖，是辽宁省对我们基础研究工作的极大肯定。辽宁有很好的装备制造和材料产业基础，近年来在集成电路和新材料领域也在加大投入。我们的热载流子晶体管工作，一方面展示了基于新材料(石墨烯等)突破传统器件极限的可能性，这对材料产业有正向牵引作用――会带动高质量低维材料的需求和研发；另一方面，我们也在积极和省内企业对接，探讨产学研合作的可能方向。辽宁有科教优势和产业底蕴，通过基础研究的突破来带动技术创新和产业升级，是一条值得持续走下去的路。
五、青年成长的四方面重要能力
15. 芯片底层器件研究单一学科背景往往不够用
提问：作为国家青年拔尖人才、辽宁省杰青，您认为从事芯片底层器件研究的青年科研人员，最需具备哪些能力与素养？
刘驰：结合我自己的经历，我觉得有几方面能力比较重要。一是扎实的器件物理功底。做新原理器件，首先要深刻理解传统器件的物理本质，知道瓶颈在哪里，创新的方向才找得准。二是跨学科的知识储备。我们现在做的工作横跨材料、物理、器件、电路，单一学科背景往往不够用。三是动手和坚持能力。器件研究是非常“手艺活”的，很多发现来自于反复的实验和细致的观察，需要在无数次失败中保持耐心。四是合作精神和开放心态。我们很多重要成果都是跨团队协作的结果，单打独斗很难走得远。
16.围绕热载流子机制主线，推进三方向研究
提问：未来3―5年，后摩尔新原理器件领域的核心发展趋势是什么？您团队下一步重点布局方向有哪些？
刘驰：我认为有几个趋势值得关注。一是超陡亚阈值摆幅器件，包括负电容、隧穿、以及我们的热载流子路线，目标是打破玻尔兹曼极限，大幅降低功耗。二是多维异质集成，将不同维度的材料，如三维半导体、二维原子晶体、一维碳纳米管等，以异质结形式集成，创造单一材料难以实现的功能。三是光电融合和感算一体，把感知、计算功能在器件层面整合，减少数据搬运开销。
我们的团队会继续围绕热载流子机制这个主线，重点推进几个方向：深化热发射极晶体管的基础研究，把受激发射机制理解得更透彻；探索新型低维材料异质结体系，丰富热载流子晶体管的材料平台；推进光电融合功能器件的研究，包括多功能探测器和多值逻辑单元。
17. 完全原创的热载流子晶体管为构建自主芯片器件技术体系做好的储备
提问：在东北振兴与科技自立自强背景下，您如何依托辽宁与中科院平台，助力我国微电子关键核心技术自主可控？
刘驰：东北振兴和科技自立自强，对科研人员来说是责任也是机遇。我的理解，真正的自主可控，不是简单地追赶别人的路线，而是要在关键节点上有自己的原创方案。
我们团队现在做的热载流子晶体管，在器件原理上是完全原创的――从物理机制到器件结构到性能表现，都具有自主知识产权，已经申请了多项发明专利。这对未来构建自主的芯片器件技术体系是有意义的储备。
平台方面，中科院金属所具有一流的材料研发能力，我们正在努力将这个优势拓展到微纳电子器件领域，形成材料和器件并重的特色方向。同时，辽宁拥有较好的科教资源、产业基础和政策支持，我也希望我们的工作能吸引和培养更多优秀的年轻人才加入，在东北这片土地上做出有国际影响力的器件创新工作。
图片来源：被采访者提供
文|季绍华、孟庆杨