半導體集成電路是目前全社會廣泛關注的芯片技術領域的內(nèi)容之一，是電子信息工業(yè)“食糧”，更是大國博弈的戰(zhàn)略焦點。
1977年，15歲的楊銀堂作為恢復高考后的首批大學生，以優(yōu)異成績考入西北電訊工程學院（現(xiàn)西安電子科技大學）半導體專業(yè)學習。4年后，品學兼優(yōu)的他又成功考上本校研究生，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。
從零開始的科研創(chuàng)新之路
與當前國家把發(fā)展集成電路產(chǎn)業(yè)上升為國家戰(zhàn)略的形勢不同，在上世紀80年代，當楊銀堂叩響這一領域的大門時，我國半導體集成電路研究領域還是一個相對基礎和“寂寞”的專業(yè)，遠沒有現(xiàn)在“紅火”。
“國家的需求就是我們努力的方向。那時沒有工藝設備，我們就從基礎部件做起，一點點突破。”西安電子科技大學教授楊銀堂說。
當時，國內(nèi)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。面對這樣困難的形勢，楊銀堂和同事們堅定不移地選擇從原始創(chuàng)新技術做起，毫不猶豫地將個人科研理想與黨和國家的需要結合起來，將個人奮斗融入國家建設需求當中。
薄膜材料生長和微細圖形刻蝕是集成電路生產(chǎn)的關鍵工藝，也是西方國家長期對我國實行技術封鎖的領域。1997年，楊銀堂帶領團隊承擔國家重點工程微波ECRCVD設備研制任務，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。這在當時屬于國家重大工程急需技術，但受制于國內(nèi)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，深入研究其產(chǎn)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，在歷經(jīng)一次次實驗探索后，終于啃下了這塊“硬骨頭”。
楊銀堂從當時漸趨成熟的新型磁性材料入手，帶領團隊打開思路，大膽摒棄國際已有的同軸線圈磁場結構，發(fā)明出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發(fā)生了革命性變化，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)等系列關鍵技術，破解了一個個在當時看來不可能攻克的難題。
為保證研發(fā)進度，寒冬時節(jié)，楊銀堂和同事在負責加工設備的東北外協(xié)工廠旁的旅館一住就是一個多月，每天冒著零下20℃的嚴寒，到車間與工人一起工作，解決加工生產(chǎn)中的難題。經(jīng)過多方協(xié)作和攻堅克難，團隊終于如期完成設備加工。
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(xiàn)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(chǎn)品”，為我國超大規(guī)模集成電路工藝技術的發(fā)展作出了重要貢獻。
架起通往數(shù)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(shù)字信號，是電子信息領域的一大技術難題。攻克這一難題的核心是數(shù)據(jù)轉換器——它不僅是雷達、通信、儀器儀表、物聯(lián)網(wǎng)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，楊銀堂堅持自主創(chuàng)新，矢志打破這一技術壁壘。他帶領團隊潛心鉆研基礎理論，基于深耕實踐的優(yōu)勢，最終提出了新型可重構數(shù)據(jù)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(shù)字化設計的思想，突破了模擬采樣、數(shù)字校準的關鍵技術，并基于國內(nèi)自主工藝，研制出系列高性能數(shù)據(jù)轉換器芯片。
“該芯片重構的CMOS模數(shù)轉換器IP核精度達到6~14位，基于時間域轉換的新型模數(shù)轉換器速度、精度、效率得到大幅提升，處于當時國際先進水平。”楊銀堂滿懷自信地說，“滿足了雷達、超聲成像等系統(tǒng)對高速高精度數(shù)據(jù)轉換技術的需求，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(shù)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)明獎二等獎。
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推動集成電路進入功耗限制時代。功耗成為整個行業(yè)亟須解決的重大問題。
楊銀堂較早關注到集成電路能耗巨大這一難題。為降低能耗，在國家杰出青年科學基金的支持下，楊銀堂帶領團隊，從芯片的器件、電路、系統(tǒng)等逐層攻關，提出多層次能耗理論，建立了片上網(wǎng)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，攻克了用于系統(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(jīng)長期研發(fā)探索，這項技術目前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)能減排起到重要作用。該成果榮獲2016年度國家科技進步獎二等獎。
在芯片微觀世界“起高樓”
近年來，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)集成電路研制面臨著量子力學物理和加工工藝的雙重瓶頸。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禁運，許多國家重大工程急需的芯片供應面臨問題，亟待尋找解決之道。
面對這種嚴峻局面，楊銀堂與團隊迎難而上、埋頭攻關。他們從國內(nèi)具體情況出發(fā)，經(jīng)過長期研究和實驗，提出多芯片組件路線，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(xiàn)集成規(guī)模的提升和多種芯片的集成，成功研制出微型雷達、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(nèi)率先開展了硅片通孔互連和三維集成技術研究，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(xiàn)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(xiàn)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，有力保障了國家重大工程實施。
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，對高校教師提出的是教學能力和科研水平的雙重要求。”
執(zhí)教40年，楊銀堂把教育教學作為第一職責，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(xiàn)代半導體集成電路》等多部教材。從1997年擔任西安電子科技大學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、躋身國內(nèi)前列。
在教好專業(yè)知識的同時，楊銀堂還十分重視學生的思想政治教育。他主持開展學校“三好三有”研究生導學團隊培育建設，建成了70多支優(yōu)秀研究生導學團隊，營造了濃厚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陜西省高等教育教學成果獎特等獎，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”項目榮獲2022年國家級教學成果獎二等獎。
桃李不言，下自成蹊。多年來，楊銀堂精心培養(yǎng)博士生64人、碩士生216人，所帶領的團隊獲批國家自然科學基金創(chuàng)新研究群體項目、入選科技部重點領域創(chuàng)新團隊。他指導的學生畢業(yè)后在各行各業(yè)表現(xiàn)突出，成為科研院所和企事業(yè)單位的骨干，為我國集成電路技術創(chuàng)新和行業(yè)發(fā)展貢獻了重要力量。
40年筑夢“中國芯”，楊銀堂先后主持完成了國家自然科學基金重大項目、國家重點研發(fā)計劃等科研任務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)明獎二等獎1項，國家科技進步獎二等獎1項、三等獎1項，省部級科技成果獎一等獎4項。■
（作者單位分別為西安電子科技大學和中國科學院西安分院）