我赌，今年诺贝尔奖会颁给他

中科院专家原创40000字《DRAM芯片风云》专栏

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译者：二马路的冰

排版：摇摇七喜

出品：SOlab

深度好文，3492字=11分钟阅读

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诺奖陪跑人细野秀雄

每年十月是地球村成员热切关注的诺贝尔奖揭晓的时刻。2022年度的具体获奖公布安排如下：

诺贝尔奖颁奖时间。图源：百度百科

此外，2020年至2021年由于疫情未举办授奖仪式，此次2020和2021年诺奖得主将与2022年最新一届得主共同参加12月在瑞典斯德哥尔摩举行的颁奖仪式和晚宴。

诺贝尔奖奖章。图源：诺贝尔基金会

近20年来，日本在诺贝尔奖屡有斩获，共有20人获得诺贝尔奖。从21世纪算起，其获奖人数仅次于美国，居世界第二。同时，日本也有许多诺贝尔奖陪跑者，比如，日本当代作家村上春树大家都知道了。其实，在自然科学领域，日本也有许多诺贝尔奖陪跑者，其中东京工业大学元素战略研究中心特命教授-细野秀雄（Hideo Hosono）教授就是比较有名的一个。

细野秀雄（Hideo Hosono）。图源：东京工业大学素战略研究中心官网

细野秀雄，1953年9月7日出生于日本埼玉县川越市。

➢1977年3月东京都立大学工学部工业科化学科毕业；

➢1982年3月获得东京都立大学工学博士学位；

➢1982年4月担任名古屋工业大学助理教授；

➢1988年9月担任美国范德堡大学客座教授；

➢1990年2月担任名古屋工业大学工学部材料工学科副教授；

➢1993年7月转任东京工业大学工业材料研究所副教授；

➢1995年4月担任冈崎国立共同研究机构分子科学研究所副教授；

➢1999年4月开始担任东工大应用材料与结构研究所教授，曾为东京工业大学元素战略研究中心创始主任和荣誉教授，现为该中心特命教授。

细野秀雄现为英国皇家学会外籍院士（2017年当选）获得过包括日本陶瓷协会奖、恩斯特·阿贝财団Otto-Schott研究奖、W.H.Zachariasen奖、紫绶褒章、Jan Rajchman奖（SID）、James C.McGroddy Prize for New Materials、日本国际奖、材料研究协会（MRS）最高荣誉Von Hippel奖（美国材料研究学会最高荣誉，第42位获奖者，也是第一位获此殊荣的日本人）、麦克格雷迪材料奖（APS）、Jan Rajchman Prize（SID）和汤森路透引文桂冠奖等奖项；

发表SCI论文1000余篇，其中Nature5篇、Nature子刊18篇、Science3篇、PNAS6篇、JACS30篇、PRL19篇、PRB117篇、APL98篇、JAP60篇、Adv.Mater.13篇；已授权国际专利20项。

尚未授权国际专利49项，已授权国内专利90项。Google学术引用为16万余次，H指数为148，单篇论文最高引用9521次（就是下文要讲到的铁基超导的开创性论文）。

细野秀雄的Google 学术介绍。图源：Google 学术

细野秀雄的研究史

细野秀雄教授的研究方向是无机材料与纳米超导材料、无机光材料与电子材料、核磁共振及透明氧化物半导体。

其诺贝尔奖级别的成就有两个:

1、铁基超导体的发现；

2、IGZO技术的开发。

铁基超导体的发现

➢2008年2月18日，日本科学技术振兴机构和东京工业大学联合发布新闻公报，细野秀雄团队发现了一种新型铁基超导体，在临界温度26K（零下247度左右）时具有超导特性。

➢2008年2月23日论文发表于JACS，论文仅2页，题目是“Iron-Based Layered Superconductor La[O1-xFx]FeAs (x=0.05-0.12) with Tc=26K”。

Google学术引用9521次。这个工作推翻了铁磁性与超导不相容的旧观念（BCS理论），同年被《Science》评选为“世界十大科技进展”之一，与iPS细胞（2012年诺贝尔生理学或医学奖）并列，掀起了全球高温超导体的第二次研究热潮。比如，中国“40K以上铁基高温超导体的发现及若干基本物理性质研究”项目2013年曾获国家自然科学奖一等奖。

全球高温超导体。图源：百度百科

IGZO技术的开发

IGZO全称是Indium gallium zinc oxide，中文名是铟镓锌氧化物。由In2O3、Ga2O3和ZnO构成，禁带宽度在3.5eV左右，是一种N型半导体材料。包括铟（Indium）、镓（Gallium）、锌（Zinc）和氧（Oxygen）四种元素。非晶IGZO材料是用于新一代薄膜晶体管技术中的沟道层材料。

IGZO技术。图源：百度百科

细野秀雄教授在一次专业研讨会上介绍了IGZO发现的过程：“我自1993年起开始研究透明氧化物半导体材料。最初研究的是结晶材料。同时，我对非结晶材料也怀有强烈兴趣。当时业界普遍认为，包括硅在内，非结晶材料的电子迁移率比结晶材料要低3～4个数量级。我觉得这种看法不对。我认为以硅为代表的共价键合性物虽然有这样的性质，但像素氧化物那样的离子结合性物质应该与此不同”。

“不过，我发现如果从气相材料开始制作的话，就比较容易形成非结晶状态。最初，只发现了1种令人感兴趣的材料。通过描绘这种材料的电子轨道，我发现很可能有大量的非结晶的透明氧化物”。

“于是我想出了一个方法，即：掺入Ga(镓)后将其制成IGZO。掺入了Ga之后，电子迁移率会降至IZO的1/3，即便如此，仍可保证10cm2/Vs的迁移率。迁移率如果达到10cm2/Vs，作为显示器驱动用已足够”。

最终，细野秀雄教授在全球最早发现IGZO具有可在均一性极佳的非结晶状态下实现不逊于结晶状态的电子迁移率特性。2004年，细野秀雄教授课题组在Nature杂志上报道了柔性透明IGZO薄膜晶体管。论文题目是“Room-temperature fabrication of transparent ﬂexible thin-ﬁlm transistors using amorphous oxide semiconductors”。Google学术引用8004次。

柔性透明IGZO薄膜晶体管。图源：Nature 杂志

IGZO-TFT技术最先在日本夏普公司实现量产，目前该材料及技术专利主要由日本厂商拥有。诸如三星电子、夏普（供给富士通、索尼、东芝、小米科技）使用的非晶IGZO-TFT显示器技术都是基于细野秀雄教授团队的发明。

细野秀雄教授团队的“IGZO-TFT”专利群得到了科学技术振兴机构（JST）的资助。2014年前后，日本半导体能源研究所在日本、韩国、中国台湾及欧洲针对IGZO专利群中的部分专利提出无效请求并申请复议等。细野秀雄教授被迫卷入了IGZO专利的纠纷之中。

2015年2月25日，JST决定将第二届知识产权特别贡献奖授予细野秀雄教授。其理由是：“细野教授研发出了适用于高精细显示器的氧化物半导体InGaZnO（铟镓锌氧化物），JST建立了包括该技术的基本专利和相关专利在内的专利池，从2011年开始向国内外企业进行技术转让，授予专利使用权”。

知识产权。图源：百度百科

JST理事长中村道治这样介绍将奖项授予细野教授的原因：“细野教授不仅将氧化物半导体这一独创的研发成果变成了专利群，还向企业授予专利使用权，使知识产权能够被广泛运用，这一点具有重大意义” 。

JST知识产权战略中心表示：“氧化物半导体IGZO的专利池现在已对10多家国内外企业进行了授权，而且现在还在与多家企业进行授权谈判” 。

佳能公司董事、知识产权法务本部长长泽健一表示：“基于细野教授研究成果的专利群在大约10年内就实现了授权。在这个业界是非常早的，在知识产权运用这一点上意义重大” 。

2019年4月13日，这场持续了6年的专利纠纷终于结束，与JST签订授权协议的企业可以像以前一样使用与IGZO专利群有关的发明技术。

IGZO在DRAM产业中的应用

为了不断延续摩尔定律，芯片工程师一直不断在芯片制造中引入新材料，让笔记本、手机、电视和其他电子产品中的芯片性能不断获得提高。IGZO材料近年来也就开始被引入DRAM产业。

DRAM中文名为动态随机存取存储器，广泛应用于个人电脑、服务器和手机等的内存，是最大宗的单一芯片产品，已走过52年的风雨历程，常年高居芯片销售榜第一名，迄今累计销售额超过1万亿美元。根据IC Insights最新预测，2026年全球DRAM市场规模甚至有望达到1219亿美元左右。

DRAM是一种易失性存储器（即掉电数据就丢失）。其原理较为简单，基本存储单元由一个晶体管加一个电容组成，即所谓的1T1C架构。这种结构正在逼近10nm技术节点的天花板。在此背景下，为了提高DRAM的容量，3D DRAM正在成为DRAM的发展潮流。

3D DRAM的发展。图源：华为麒麟

“存储墙”难题是当今高算力计算的最大技术瓶颈，即处理时间与将数据从单独的DRAM 存储器芯片传送到处理器所花费时间之间的差距。为此，芯片业研究的全球大脑，比利时微电子研究中心（IMEC）的研究人员将IGZO材料引入DRAM，在2021年IEDM会议（芯片业每年一度的奥林匹克盛会）上展示了一款基于IGZO的无电容器DRAM。

IGZO材料的引入为DRAM走向3D堆叠开辟了新路径，使得无电容IGZO-DRAM成为实现高密度3D DRAM存储器的重要候选者，从而使DRAM有望突破10nm技术节点的天花板。目前华为海思也正在全力开展这项研究。

IMEC在2021年展示的单个 IGZO 晶体管结果。图源：IMEC

从2013年起，细野秀雄教授就一直被学界称为诺贝尔奖有力候选人。

细野秀雄一直是诺贝尔奖有力候选人。图源：中国新闻网

细野秀雄一直是诺贝尔奖有力候选人。图源：JST

细野秀雄曾表示：“在无数的物质中，直接对社会有用的才是材料。我是材料研究人员，因此必须研究出有用的材料，否则就没有意义。作为一名研究人员，我不想被认为没有志气，所以必须努力，需要有这种精神” 。

2019年，细野秀雄受聘华中科技大学名誉教授。他对中国学者在其发现铁基超导技术后给予的快速反应表示了认可。他指出，正是由于中国学者的快速反应使得这项成果席卷世界并在当年成为世界第一的引用论文。他讲述了自己在科研和人才培养上同华中大武汉光电国家研究中心的紧密联系，并表示在未来会携手华中大一起共同研究，为世界贡献力量，努力克服世界难题，促成华中大和东京工业大学的密切交流。