半導體集成電路是電子信息工業(yè)的“食糧”，更是大國博弈的戰(zhàn)略焦點。四十年來，西安電子科技大學楊銀堂教授始終以服務國家重大需求為己任，在數據轉換器集成電路設計、集成電路低功耗技術、三維異構集成系統(tǒng)理論和技術研究領域取得了多項創(chuàng)新性、突破性科研成果，為我國混合信號集成電路技術創(chuàng)新發(fā)展做出了突出貢獻。
甘坐“冷板凳” 潛心做研究
1977年，作為恢復高考后的首批大學生，15歲的楊銀堂以優(yōu)異成績考入西北電訊工程學院（今西安電子科技大學）半導體專業(yè)學習。四年后，品學兼優(yōu)的他成功考上了本校的研究生，于1984年8月獲得碩士學位并留校任教，從此開始了近40年的集成電路教學和研究生涯。
所謂半導體集成電路，就是現在全社會廣泛關注的芯片技術。與當前國家已把發(fā)展集成電路產業(yè)上升為國家戰(zhàn)略的高度關注形勢不同，早在上世紀八十年代，當楊銀堂叩響這一領域的大門時，半導體集成電路還是一個相對基礎和寂寞的專業(yè)，遠沒有現在紅火。
那時候國內的集成電路技術水平還比較低，能參考的資料也很少，很多工作都需要從零開始。面對這樣艱苦的形勢，楊銀堂和同事們堅定不移地選擇了從原始創(chuàng)新技術做起，毫不猶豫地將個人科研理想與黨和國家需要結合起來、將個人奮斗融入國家建設需求當中?！皣业男枨螅褪俏覀兣Φ姆较?。那時候沒有工藝設備，我們就從基礎部件做起，一點點突破”，楊銀堂說。
實現“從0到1”創(chuàng)新研制新設備
薄膜材料生長和微細圖形刻蝕是集成電路生產的關鍵工藝。在西方國家長期封鎖的背景下，我國集成電路工業(yè)急需微細加工關鍵技術。楊銀堂立足國內現狀，以關鍵科學問題的突破支撐工程技術進步，在自主可控集成技術的發(fā)展和應用方面取得了重要成果。
1997年，楊銀堂帶領團隊承擔了國家重點工程微波ECRCVD設備研制任務，這是采用微波電子回旋共振等離子體方法進行集成電路薄膜制備和微細加工新技術。這在當時，屬于國家重大工程急需技術，但受制于當時國內技術設備的匱乏，研制難度非常大。
考慮到設備核心是電子回旋共振等離子體源，楊銀堂帶領團隊從微波、電磁場、等離子體等理論的學習梳理入手，深入研究產生機理和維持條件，科學構建氣體放電等離子體模型，系統(tǒng)分析國際上相關技術的特點和局限性，歷經一次次實驗探索，終于啃下了這塊“硬骨頭”！從當時漸趨成熟的新型磁性材料入手，楊銀堂帶領團隊打開思路，大膽提出摒棄國際已有的同軸線圈磁場結構，發(fā)明出了基于稀土永磁材料磁場的分布式ECR源，使等離子體源的結構產生了革命性的變化，在使其成本、體積、重量顯著減小的同時，大幅提高了等離子體的面積、密度和均勻性。不僅如此，團隊還攻克了大腔體氣流場、襯底基座控制、等離子體診斷、氣路系統(tǒng)、真空系統(tǒng)等關鍵技術，破解了一個個在當時看來不可能的難題。
為保證進度，寒冬時節(jié)，楊銀堂和同事在加工設備工藝系統(tǒng)的東北外協(xié)工廠旁一住就是一個多月，每天冒著零下20多度的嚴寒，來到車間與工人一起工作、解決加工生產中的難題，經過多方艱苦準備，終于如期完成設備加工工作。
待整個設備裝配完成后，等離子體放電實驗一次成功，各項指標完全達到設計要求，實現了優(yōu)質介質薄膜的室溫淀積與微細加工，主要工藝性能指標達到國際先進水平，成功應用于國家重大工程，并入選國家重點新產品、為我國超大規(guī)模集成電路工藝技術的發(fā)展做出重要貢獻。
筑夢“中國芯” 架起通往數字世界的橋梁
如何快速準確地將人類感知的自然界連續(xù)變換的模擬信號轉換為數字信號，這是電子信息領域的一大技術難題，而完成這一任務的核心就是數據轉換器——它不僅是雷達、通信、儀器儀表、物聯(lián)網系統(tǒng)的關鍵器件，更直接決定著這些裝備的性能，一直以來都是美國和西方對我國重點管控的卡脖子技術。
面對國外壟斷，楊銀堂堅定為國奉獻信念，堅持自主創(chuàng)新，矢志打破這一技術壁壘。他帶領團隊瞄準國家重大需求，潛心鉆研、深耕實踐，提出了新型可重構數據轉換器的系統(tǒng)架構和轉換方法，發(fā)展了模擬集成電路數字化設計的思想，突破了模擬采樣、數字校準關鍵技術，基于國內自主工藝，研制出系列高性能數據轉換器芯片。該芯片可重構的CMOS模數轉換器IP核精度達到6-14位，基于時間域轉換的新型模數轉換器速度、精度、效率大幅提升，處于國際先進水平，滿足了雷達、對抗、超聲成像等系統(tǒng)對高速高精度數據轉換技術的急需，提升了關鍵芯片的自主可控能力，成功應用于重點工程。
在2019年度國家科學技術獎評選中，由楊銀堂牽頭完成的“高效模數轉換器和模擬前端芯片關鍵技術及應用”項目榮獲國家技術發(fā)明二等獎，他提出的模數轉換器集成電路新架構、建立的模擬集成電路可重構體系和方法，有力推動了我國混合信號集成電路技術走向國際前列，得到了同行的認可和好評。
開辟新途徑為集成電路“節(jié)能減排”
如今，電子信息技術的廣泛應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集成電路進入功耗限制時代。功耗直接決定了集成電路能否實現和性能優(yōu)劣，成為了整個行業(yè)亟待解決的重大問題。
楊銀堂較早關注到了集成電路能耗巨大這一難題。為降低能耗，在國家自然科學基金杰出青年基金支持下，楊銀堂帶領團隊，從芯片的器件、電路、系統(tǒng)等逐層攻關，提出了多層次能耗理論，建立了片上網絡架構模型和全局異步局部同步技術，突破了模擬集成電路低壓低功耗技術，使單元器件功耗達到納瓦級超低水平，完成了用于系統(tǒng)集成和功率管理的多層次系統(tǒng)芯片低功耗設計技術。
歷經長期探索，這項技術已廣泛應用于集成電路骨干企業(yè)，在移動終端、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，對我國電子領域節(jié)能減排發(fā)揮了重要作用，并榮獲2016年度國家科技進步二等獎。
三維異構集成于微觀世界“起高樓”
隨著微細加工水平的不斷提高，超大規(guī)模集成電路工藝正式進入納米階段，傳統(tǒng)集成電路面臨著量子力學物理和加工工藝雙重極限。與此同時，光刻機等我國集成電路工業(yè)關鍵技術和設備受到美國和西方禁運，許多國家重大工程急需的芯片供應面臨問題，急需尋找解決之道。
面對這種嚴峻局面，楊銀堂與團隊選擇了迎難而上、埋頭攻關。他們是從國內具體情況出發(fā)，經過長期研究和實驗，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，將多個裸芯片組裝于陶瓷基板上，實現集成規(guī)模的提升和多種芯片的集成，研制成功了微型雷達、光電導引前端等重點裝備部件。
隨著研究的不斷深入，楊銀堂又在國內率先開展了硅片通孔互連和三維集成技術的研究，發(fā)明了同軸通孔、雙環(huán)、差分屏蔽等多種通孔結構，以硅片通孔和硅基轉接板片為基礎，實現了集成電路的異質異構三維集成，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集成設計方法和設計平臺，在有限工藝條件下實現了大規(guī)模異質異構集成，促進了我國自主可控集成技術的發(fā)展和應用，應用于國內軍用三維集成生產線，有力保障了國家重大工程。
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，堅持為黨育人、為國育才的使命。他常對青年教師說，“教師是高等教育的主體，對高校教師提出的，便是教學能力和科研水平的雙重要求”。
任教四十年來，楊銀堂把教育教學作為自己的第一職責，始終堅守教學科研一線，堅持主講《半導體集成電路》等本科主干課程，出版了《現代半導體集成電路》等多部教材。從1997年擔任西電微電子研究所所長起，他狠抓本科和研究生教學工作，推進課堂教學、實驗教學和科研實踐相結合，助力學校微電子學科水平快速提升并于2003年獲準建設首批國家集成電路人才培養(yǎng)基地，躋身國內前列。在此基礎上，國內第一個獨立設置的微電子學院建設成功，成為我國微電子和集成電路人才培養(yǎng)的重要基地，并陸續(xù)獲批了首批國家示范性微電子學院、國家集成電路學院。
在教好專業(yè)知識的同時，楊銀堂還十分重視學生思想政治教育。他主持開展了學?！叭萌小毖芯可鷮W團隊的培育建設，建成了70多支優(yōu)秀研究生導學團隊，營造了濃郁的研究生導學文化氛圍，形成了特色鮮明的育人品牌，“三好三有導學團隊育人模式”獲得了陜西省教學成果特等獎。他牽頭完成的“研究生‘三好三有’導學思政育人體系的創(chuàng)新與實踐”項目還榮獲了2022年國家級教學成果二等獎。
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，其所帶團隊入選了國家自然科學基金優(yōu)秀創(chuàng)新群體、科技部重點領域創(chuàng)新團隊，所指導的學生畢業(yè)后在各行各業(yè)表現突出，有的成長為國家杰出青年基金獲得者、教育部長江學者，有的成為行業(yè)主流公司創(chuàng)始人，大批學生成長為科研院所和企事業(yè)單位的骨干，成為我國集成電路技術創(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家自然科學基金重大項目、國家杰出青年基金、國家重點研發(fā)計劃、裝備型號研制等科研任務30余項，在國際重要學術刊物發(fā)表論文500余篇，出版學術專著8部，授權國家發(fā)明專利78項，以第一完成人獲得國家技術發(fā)明二等獎1項、國家科技進步二等獎1項、三等獎1項，省部級科技成果一等獎4項。榮獲“全國模范教師”“中國青年科技獎”“陜西省有突出貢獻專家”“陜西最美科技工作者”“中國電子學會十佳優(yōu)秀科技工作者”等多項獎勵稱號，入選國家“百千萬人才工程”。
(文/史倩云)
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