微型課題申報(bào)評(píng)審書一、封面內(nèi)容

項(xiàng)目名稱：面向微納器件的多物理場(chǎng)耦合仿真與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證研究

申請(qǐng)人姓名及聯(lián)系方式：張明，zhangming@

所屬單位：國(guó)家微電子研究所

申報(bào)日期：2023年10月26日

項(xiàng)目類別：應(yīng)用研究

二．項(xiàng)目摘要

本項(xiàng)目旨在針對(duì)微納尺度電子器件在極端工作環(huán)境下的性能退化問題，開展多物理場(chǎng)耦合仿真與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證研究。項(xiàng)目以硅基納米晶體管為研究對(duì)象，重點(diǎn)分析電場(chǎng)、溫度和機(jī)械應(yīng)力等多場(chǎng)耦合作用下器件的輸運(yùn)特性及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。通過構(gòu)建基于第一性原理計(jì)算與有限元方法的耦合仿真模型，結(jié)合納米壓痕、掃描電子顯微鏡等實(shí)驗(yàn)技術(shù)，系統(tǒng)研究應(yīng)力分布對(duì)器件閾值電壓、漏電流和可靠性壽命的影響規(guī)律。預(yù)期開發(fā)一套包含電熱-力耦合效應(yīng)的器件設(shè)計(jì)軟件工具，并建立微納器件在動(dòng)態(tài)載荷下的失效判據(jù)體系。研究成果將直接應(yīng)用于先進(jìn)存儲(chǔ)芯片和生物傳感器的研發(fā)，為提升微納器件的工業(yè)應(yīng)用性能提供理論依據(jù)和實(shí)驗(yàn)支撐，同時(shí)推動(dòng)多尺度建模技術(shù)在微電子領(lǐng)域的工程化進(jìn)程。

三.項(xiàng)目背景與研究意義

1.研究領(lǐng)域現(xiàn)狀、存在問題及研究必要性

當(dāng)前，微納電子器件已進(jìn)入納米尺度時(shí)代，特征尺寸持續(xù)縮小至數(shù)納米量級(jí)，晶體管密度每十年提升約一個(gè)數(shù)量級(jí)，這極大地推動(dòng)了信息技術(shù)，使智能手機(jī)、高性能計(jì)算等終端產(chǎn)品得以實(shí)現(xiàn)。然而，尺寸的急劇縮小伴隨著一系列嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，其中多物理場(chǎng)耦合效應(yīng)對(duì)器件性能和可靠性的影響日益凸顯，成為限制器件進(jìn)一步發(fā)展的關(guān)鍵瓶頸。

從研究領(lǐng)域現(xiàn)狀來看，現(xiàn)代微納器件的設(shè)計(jì)與分析已不再局限于單一物理場(chǎng)的作用。電場(chǎng)、溫度、機(jī)械應(yīng)力以及磁場(chǎng)等多種物理場(chǎng)之間的相互作用，在器件運(yùn)行過程中普遍存在，并深刻影響著器件的靜態(tài)特性、動(dòng)態(tài)響應(yīng)和長(zhǎng)期穩(wěn)定性。例如，在高溫高濕環(huán)境下工作的晶體管，不僅面臨電遷移和熱載流子注入等傳統(tǒng)可靠性問題，還受到機(jī)械應(yīng)力（如封裝應(yīng)力、離子注入應(yīng)力）與電場(chǎng)、溫度的耦合作用，導(dǎo)致器件閾值電壓漂移加劇、漏電流顯著增大，甚至引發(fā)局域熱點(diǎn)，最終導(dǎo)致器件過早失效。此外，納米尺度器件結(jié)構(gòu)極其脆弱，微小的機(jī)械振動(dòng)或形變都可能引起其電學(xué)特性的突變。因此，全面理解多物理場(chǎng)耦合機(jī)制，建立精確的耦合模型，對(duì)于保障下一代微納器件的性能和可靠性至關(guān)重要。

目前，針對(duì)多物理場(chǎng)耦合問題的研究主要存在以下問題：首先，現(xiàn)有仿真模型大多采用簡(jiǎn)化假設(shè)，難以準(zhǔn)確描述納米尺度下復(fù)雜的場(chǎng)分布及其相互作用。例如，許多研究將應(yīng)力視為外部施加的均勻場(chǎng)，忽略了其分布的局部性和非均勻性；在電熱耦合分析中，往往采用穩(wěn)態(tài)或準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)近似，未能充分考慮瞬態(tài)過程中的動(dòng)態(tài)熱傳導(dǎo)和電場(chǎng)反饋。其次，實(shí)驗(yàn)表征技術(shù)難以直接、原位地測(cè)量多物理場(chǎng)耦合下的微觀結(jié)構(gòu)響應(yīng)。傳統(tǒng)的器件測(cè)試通常在單一穩(wěn)定條件下進(jìn)行，難以捕捉瞬態(tài)耦合效應(yīng)和微觀結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)演化過程，導(dǎo)致仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果之間存在較大差異。再次，缺乏系統(tǒng)性的數(shù)據(jù)庫(kù)和設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。由于多物理場(chǎng)耦合問題的復(fù)雜性，目前尚無成熟的數(shù)據(jù)庫(kù)支持器件設(shè)計(jì)，工程師在面臨實(shí)際設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)時(shí)，往往需要依賴經(jīng)驗(yàn)和試錯(cuò)，設(shè)計(jì)效率低下且風(fēng)險(xiǎn)較高。

開展本項(xiàng)目研究的必要性主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：一是突破現(xiàn)有器件設(shè)計(jì)理論的局限。傳統(tǒng)的單一物理場(chǎng)分析理論已無法滿足納米尺度器件設(shè)計(jì)的需求，必須引入多物理場(chǎng)耦合的觀點(diǎn)，才能更全面、準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)器件在實(shí)際工作環(huán)境中的表現(xiàn)。二是提升器件性能和可靠性的關(guān)鍵需求。隨著摩爾定律趨緩，提升器件性能密度的主要途徑轉(zhuǎn)向通過新材料、新結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)性能躍升，而新材料、新結(jié)構(gòu)往往伴隨著更復(fù)雜的多物理場(chǎng)耦合機(jī)制，亟需深入研究以規(guī)避潛在風(fēng)險(xiǎn)。三是應(yīng)對(duì)極端工作環(huán)境的迫切需要。航空航天、極端環(huán)境探測(cè)等應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)器件的可靠性和穩(wěn)定性提出了極高要求，這些場(chǎng)景下的器件通常承受著劇烈的溫度變化、振動(dòng)沖擊以及復(fù)雜的電磁環(huán)境，多物理場(chǎng)耦合效應(yīng)尤為顯著，必須通過深入研究加以應(yīng)對(duì)。四是推動(dòng)相關(guān)技術(shù)發(fā)展的內(nèi)在要求。多物理場(chǎng)耦合仿真與實(shí)驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展，將促進(jìn)計(jì)算材料科學(xué)、納米力學(xué)、量子輸運(yùn)等交叉學(xué)科的發(fā)展，為解決其他科學(xué)和工程問題提供新的思路和方法。

2.項(xiàng)目研究的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)或?qū)W術(shù)價(jià)值

本項(xiàng)目的研究不僅具有重要的學(xué)術(shù)價(jià)值，還將產(chǎn)生顯著的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。

在社會(huì)價(jià)值方面，本項(xiàng)目的研究成果將直接服務(wù)于國(guó)家重大戰(zhàn)略需求，提升我國(guó)在高端芯片、先進(jìn)傳感器等核心領(lǐng)域的自主創(chuàng)新能力。通過深入理解多物理場(chǎng)耦合機(jī)制，可以有效提升微納器件的可靠性和使用壽命，降低因器件失效導(dǎo)致的巨大經(jīng)濟(jì)損失和社會(huì)資源浪費(fèi)。特別是在汽車電子、醫(yī)療設(shè)備、工業(yè)控制等領(lǐng)域，器件的可靠性直接關(guān)系到人身安全和生產(chǎn)效率，本項(xiàng)目的研究將有助于保障這些關(guān)鍵領(lǐng)域產(chǎn)品的性能穩(wěn)定，提升社會(huì)運(yùn)行的安全水平。此外，本項(xiàng)目的研究方法和技術(shù)將推動(dòng)相關(guān)領(lǐng)域人才培養(yǎng)，為我國(guó)培養(yǎng)一批掌握多尺度建模和實(shí)驗(yàn)表征技術(shù)的復(fù)合型科技人才，為科技強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略提供智力支持。

在經(jīng)濟(jì)價(jià)值方面，本項(xiàng)目的研究成果具有廣闊的應(yīng)用前景，有望帶動(dòng)相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展，創(chuàng)造新的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)。首先，開發(fā)的多物理場(chǎng)耦合仿真軟件工具，可以作為商業(yè)化的設(shè)計(jì)平臺(tái)，為芯片設(shè)計(jì)企業(yè)、集成電路制造企業(yè)提供高效、精準(zhǔn)的器件設(shè)計(jì)服務(wù)，降低研發(fā)成本，縮短產(chǎn)品上市時(shí)間。其次，建立的微納器件失效判據(jù)體系，可以為器件的可靠性評(píng)估和壽命預(yù)測(cè)提供科學(xué)依據(jù)，幫助企業(yè)優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計(jì)和質(zhì)量控制流程，提升產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力。再次，本項(xiàng)目的研究將促進(jìn)相關(guān)實(shí)驗(yàn)設(shè)備、材料科學(xué)、軟件工程等產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，形成完整的科技創(chuàng)新生態(tài)鏈，為經(jīng)濟(jì)發(fā)展注入新的活力。據(jù)統(tǒng)計(jì)，高性能芯片和先進(jìn)傳感器市場(chǎng)是全球信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)的核心組成部分，市場(chǎng)規(guī)模持續(xù)擴(kuò)大，本項(xiàng)目的研究成果有望在全球市場(chǎng)中占據(jù)一席之地，為國(guó)家?guī)砜捎^的經(jīng)濟(jì)效益。

在學(xué)術(shù)價(jià)值方面，本項(xiàng)目的研究將深化對(duì)微納尺度物理規(guī)律的認(rèn)識(shí)，推動(dòng)多物理場(chǎng)耦合理論的創(chuàng)新發(fā)展。通過對(duì)電場(chǎng)、溫度、機(jī)械應(yīng)力等多場(chǎng)耦合作用下器件輸運(yùn)特性及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性進(jìn)行系統(tǒng)研究，將揭示納米尺度下物質(zhì)結(jié)構(gòu)與多場(chǎng)耦合效應(yīng)的內(nèi)在聯(lián)系，為建立更完善的理論體系提供基礎(chǔ)。本項(xiàng)目的研究將促進(jìn)計(jì)算模擬與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的深度融合，推動(dòng)交叉學(xué)科的發(fā)展，為解決其他科學(xué)和工程問題提供新的研究范式。此外，本項(xiàng)目將建立一套系統(tǒng)的微納器件多物理場(chǎng)耦合數(shù)據(jù)庫(kù)，為后續(xù)研究提供寶貴的數(shù)據(jù)資源，促進(jìn)學(xué)術(shù)交流與合作，提升我國(guó)在該領(lǐng)域的研究國(guó)際影響力。通過本項(xiàng)目的研究，有望在頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊發(fā)表系列高水平論文，培養(yǎng)一批具有國(guó)際視野的青年學(xué)者，為我國(guó)科技事業(yè)的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展奠定堅(jiān)實(shí)的學(xué)術(shù)基礎(chǔ)。

四.國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

在微納器件多物理場(chǎng)耦合研究領(lǐng)域，國(guó)際學(xué)術(shù)界和工業(yè)界已進(jìn)行了廣泛探索，取得了一系列重要成果，但也面臨諸多挑戰(zhàn)和尚未解決的問題。

國(guó)外在多物理場(chǎng)耦合仿真方面起步較早，發(fā)展較為成熟。美國(guó)、歐洲和日本等地的頂尖研究機(jī)構(gòu)和高校，如加州大學(xué)伯克利分校、斯坦福大學(xué)、麻省理工學(xué)院、蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院、東京大學(xué)等，在電熱耦合（ET）、電機(jī)械耦合（EM）、熱機(jī)械耦合（TM）以及電熱機(jī)械耦合（ETM）等方面均取得了顯著進(jìn)展。例如，Datta等人較早提出了熱載流子注入（HCI）和柵極誘導(dǎo)漏電流（GIDL）中的電熱耦合效應(yīng)模型，為理解電場(chǎng)和溫度對(duì)器件特性的影響奠定了基礎(chǔ)。在電機(jī)械耦合方面，Armstrong等人通過仿真研究了拉伸應(yīng)力對(duì)MOSFET閾值電壓的影響，揭示了應(yīng)力誘導(dǎo)的能帶彎曲機(jī)制。近年來，基于非局部緊束縛（NTB）方法、密度泛函理論（DFT）與有限元方法（FEM）相結(jié)合的耦合仿真技術(shù)逐漸成為主流，能夠更精確地描述納米尺度下的量子效應(yīng)和場(chǎng)分布。例如，Kanehiros等人利用DFT-NTB方法研究了應(yīng)力對(duì)硅和鍺晶體管能帶結(jié)構(gòu)和輸運(yùn)特性的影響，取得了較高的計(jì)算精度。此外，商業(yè)仿真軟件如SynopsysSentaurus、IBMSilvacoAtlas等也不斷升級(jí)，集成了更完善的多物理場(chǎng)耦合模型，為工業(yè)界提供了強(qiáng)大的器件設(shè)計(jì)工具。然而，現(xiàn)有仿真模型在處理極端條件（如超高溫度、超大應(yīng)力）下的相變、損傷演化以及多尺度耦合效應(yīng)時(shí)，仍存在局限性，例如對(duì)非平衡態(tài)熱力學(xué)過程的描述不夠精確，對(duì)微觀結(jié)構(gòu)演化與宏觀場(chǎng)耦合的接口處理不夠完善，以及計(jì)算效率有待進(jìn)一步提升等問題。

在實(shí)驗(yàn)表征方面，國(guó)外研究團(tuán)隊(duì)在原位、實(shí)時(shí)測(cè)量微納器件在多物理場(chǎng)耦合下的響應(yīng)方面積累了豐富經(jīng)驗(yàn)。掃描探針顯微鏡（SPM）技術(shù)，特別是原子力顯微鏡（AFM）和掃描力顯微鏡（SFM），被廣泛應(yīng)用于測(cè)量納米尺度下的機(jī)械應(yīng)力分布、材料形變和硬度等力學(xué)特性。結(jié)合納米壓痕技術(shù)，研究者能夠精確測(cè)量不同應(yīng)力狀態(tài)下的材料力學(xué)參數(shù)。熱反射計(jì)、紅外熱像儀等溫度測(cè)量技術(shù)也被用于監(jiān)測(cè)器件工作過程中的溫度分布。近年來，原位透射電子顯微鏡（TEM）技術(shù)的發(fā)展，使得研究人員能夠在接近實(shí)際工作條件的環(huán)境下，實(shí)時(shí)觀察微納器件的結(jié)構(gòu)演變和缺陷形成過程，為理解多物理場(chǎng)耦合下的微觀機(jī)制提供了有力工具。盡管實(shí)驗(yàn)技術(shù)取得了長(zhǎng)足進(jìn)步，但原位、實(shí)時(shí)、多場(chǎng)耦合原位測(cè)量技術(shù)仍面臨巨大挑戰(zhàn)，例如如何將多種傳感探針集成到微觀尺度，如何克服環(huán)境干擾，如何實(shí)現(xiàn)高時(shí)空分辨率測(cè)量等。此外，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真模型的定量關(guān)聯(lián)仍較為困難，需要進(jìn)一步發(fā)展數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)和模型修正的方法。

國(guó)內(nèi)在該領(lǐng)域的研究近年來也取得了長(zhǎng)足進(jìn)步，涌現(xiàn)出一批優(yōu)秀的研究團(tuán)隊(duì)，如清華大學(xué)、北京大學(xué)、復(fù)旦大學(xué)、浙江大學(xué)、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)等高校，以及中科院半導(dǎo)體所、中科院物理所、國(guó)家集成電路產(chǎn)業(yè)研究院等研究機(jī)構(gòu)。國(guó)內(nèi)研究者在電熱耦合效應(yīng)、應(yīng)力工程、器件可靠性等方面開展了大量工作。例如，國(guó)內(nèi)學(xué)者研究了溫度對(duì)柵極氧化層陷阱態(tài)密度的影響，以及溫度和應(yīng)力的協(xié)同作用對(duì)器件閾值電壓漂移的加速效應(yīng)。在應(yīng)力工程方面，國(guó)內(nèi)團(tuán)隊(duì)系統(tǒng)研究了不同類型應(yīng)力（拉伸、壓縮、彎曲）對(duì)器件電學(xué)特性的調(diào)控機(jī)制，并探索了應(yīng)力工程在提升器件性能和可靠性方面的應(yīng)用潛力。在可靠性研究方面，國(guó)內(nèi)學(xué)者利用加速應(yīng)力測(cè)試方法，研究了多物理場(chǎng)耦合作用下器件的失效機(jī)制，并建立了相應(yīng)的壽命預(yù)測(cè)模型。國(guó)內(nèi)研究在仿真軟件研發(fā)方面也取得了進(jìn)展，如南大通用等企業(yè)推出了國(guó)產(chǎn)的器件仿真平臺(tái)，為國(guó)內(nèi)集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供了支撐。然而，與國(guó)外頂尖水平相比，國(guó)內(nèi)研究在基礎(chǔ)理論創(chuàng)新、高端實(shí)驗(yàn)設(shè)備研制、前沿交叉學(xué)科布局等方面仍存在一定差距。例如，在多物理場(chǎng)耦合下的非平衡態(tài)物理過程理論研究相對(duì)薄弱，缺乏系統(tǒng)的多物理場(chǎng)耦合數(shù)據(jù)庫(kù)，高端原位實(shí)驗(yàn)設(shè)備依賴進(jìn)口，跨學(xué)科研究團(tuán)隊(duì)建設(shè)和人才培養(yǎng)體系有待完善等。

綜合來看，國(guó)內(nèi)外在微納器件多物理場(chǎng)耦合研究領(lǐng)域已取得了豐碩成果，為理解器件在復(fù)雜環(huán)境下的行為提供了重要依據(jù)。但仍存在諸多研究空白和挑戰(zhàn)：首先，多物理場(chǎng)耦合下的非平衡態(tài)物理過程機(jī)理尚不清晰，特別是在極端溫度、應(yīng)力、電場(chǎng)等條件下的相變、損傷演化規(guī)律需要進(jìn)一步揭示。其次，缺乏精確描述多尺度耦合效應(yīng)的理論模型和仿真方法，現(xiàn)有模型在處理量子效應(yīng)、表面效應(yīng)、界面效應(yīng)與多場(chǎng)耦合的相互作用時(shí)仍存在簡(jiǎn)化。第三，原位、實(shí)時(shí)、多場(chǎng)耦合原位測(cè)量技術(shù)亟待突破，現(xiàn)有技術(shù)難以滿足納米尺度下多物理場(chǎng)同步、精確測(cè)量的需求。第四，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真模型的定量關(guān)聯(lián)方法需要發(fā)展，以實(shí)現(xiàn)仿真模型的精確驗(yàn)證和修正。第五，多物理場(chǎng)耦合效應(yīng)的系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)和設(shè)計(jì)準(zhǔn)則尚不完善，難以指導(dǎo)工程實(shí)踐。因此，本項(xiàng)目針對(duì)上述研究空白，開展面向微納器件的多物理場(chǎng)耦合仿真與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證研究，具有重要的理論意義和應(yīng)用價(jià)值。

五.研究目標(biāo)與內(nèi)容

1.研究目標(biāo)

本項(xiàng)目旨在通過理論分析、仿真建模和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合的方法，系統(tǒng)研究微納尺度電子器件在電場(chǎng)、溫度、機(jī)械應(yīng)力等多物理場(chǎng)耦合作用下的輸運(yùn)特性、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性及失效機(jī)制，開發(fā)一套包含多物理場(chǎng)耦合效應(yīng)的器件設(shè)計(jì)分析與評(píng)估技術(shù)體系。具體研究目標(biāo)如下：

第一，建立精確描述電場(chǎng)、溫度、機(jī)械應(yīng)力多物理場(chǎng)耦合作用下微納器件輸運(yùn)特性的物理模型和仿真方法。針對(duì)現(xiàn)有模型在處理量子效應(yīng)、非平衡態(tài)物理過程以及多尺度耦合方面的不足，發(fā)展基于第一性原理計(jì)算與有限元方法相結(jié)合的耦合仿真平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)納米晶體管在動(dòng)態(tài)、非穩(wěn)態(tài)工作條件下電學(xué)行為、熱行為和力學(xué)行為的精確預(yù)測(cè)。

第二，揭示多物理場(chǎng)耦合對(duì)微納器件關(guān)鍵性能參數(shù)（如閾值電壓、漏電流、跨導(dǎo)、壽命等）的影響規(guī)律及內(nèi)在物理機(jī)制。通過仿真和實(shí)驗(yàn)，系統(tǒng)研究應(yīng)力分布、溫度梯度、電場(chǎng)強(qiáng)度等因素對(duì)器件輸運(yùn)特性的協(xié)同作用，闡明多物理場(chǎng)耦合效應(yīng)對(duì)器件性能退化及失效的主導(dǎo)機(jī)制，例如應(yīng)力誘導(dǎo)的能帶彎曲、界面態(tài)變化、位錯(cuò)形核與擴(kuò)展等。

第三，發(fā)展微納器件在多物理場(chǎng)耦合作用下的實(shí)驗(yàn)表征技術(shù)及失效判據(jù)體系。優(yōu)化和開發(fā)適用于原位、實(shí)時(shí)測(cè)量多物理場(chǎng)耦合下器件響應(yīng)的實(shí)驗(yàn)方法，如結(jié)合納米壓痕與電學(xué)測(cè)試、掃描熱成像與電流映射等技術(shù)，獲取器件在工作狀態(tài)下的應(yīng)力、溫度、電學(xué)響應(yīng)等關(guān)鍵信息?；趯?shí)驗(yàn)結(jié)果，建立一套科學(xué)的器件失效判據(jù)，為評(píng)估器件可靠性提供依據(jù)。

第四，研制面向多物理場(chǎng)耦合效應(yīng)的器件設(shè)計(jì)軟件工具，并形成設(shè)計(jì)指南?；诒卷?xiàng)目開發(fā)的仿真模型和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，集成到一個(gè)用戶友好的軟件平臺(tái)中，為芯片設(shè)計(jì)工程師提供預(yù)測(cè)多物理場(chǎng)耦合影響的設(shè)計(jì)工具。同時(shí)，總結(jié)研究成果，形成一套包含多物理場(chǎng)耦合效應(yīng)考慮的設(shè)計(jì)指南，指導(dǎo)下一代高性能、高可靠性微納器件的設(shè)計(jì)與制造。

2.研究?jī)?nèi)容

本項(xiàng)目將圍繞上述研究目標(biāo)，開展以下具體研究?jī)?nèi)容：

（1）多物理場(chǎng)耦合作用下微納器件輸運(yùn)特性的仿真建模研究

具體研究問題：現(xiàn)有基于連續(xù)介質(zhì)力學(xué)和drift-diffusion模型的仿真方法在處理納米尺度量子效應(yīng)、非平衡態(tài)電熱輸運(yùn)以及應(yīng)力與電場(chǎng)/溫度的強(qiáng)耦合時(shí)存在哪些簡(jiǎn)化假設(shè)和局限性？如何發(fā)展一種能夠同時(shí)精確描述量子輸運(yùn)、非平衡態(tài)熱力學(xué)過程和多尺度結(jié)構(gòu)演化的耦合仿真框架？

假設(shè)：通過將第一性原理計(jì)算得到的本征能帶結(jié)構(gòu)和態(tài)密度信息與非局部緊束縛（NTB）方法相結(jié)合，可以更準(zhǔn)確地描述納米尺度晶體管的量子輸運(yùn)特性；通過耦合非平衡格林函數(shù)（NEGF）方法與熱力學(xué)非平衡態(tài)路徑積分（NEP）方法，可以精確模擬電場(chǎng)、溫度場(chǎng)共同作用下的載流子輸運(yùn)和非平衡態(tài)熱過程；通過引入基于連續(xù)介質(zhì)力學(xué)理論的應(yīng)力場(chǎng)與NEGF/NTB模型的耦合接口，可以建立考慮應(yīng)力分布對(duì)能帶結(jié)構(gòu)、態(tài)密度和輸運(yùn)系數(shù)影響的耦合模型。

研究?jī)?nèi)容：首先，基于密度泛函理論（DFT）計(jì)算硅基納米晶體管的本征能帶結(jié)構(gòu)、態(tài)密度和電子結(jié)構(gòu)參數(shù)；然后，利用NTB方法構(gòu)建考慮量子尺寸效應(yīng)的器件緊束縛模型，并將其與NEGF方法結(jié)合，建立能夠描述非平衡態(tài)電學(xué)和熱學(xué)輸運(yùn)的量子耦合模型；接著，開發(fā)應(yīng)力場(chǎng)與電學(xué)/熱學(xué)模型的耦合接口，實(shí)現(xiàn)應(yīng)力分布對(duì)能帶結(jié)構(gòu)、載流子有效質(zhì)量、遷移率以及熱導(dǎo)率的影響建模；最后，構(gòu)建一套集成了電場(chǎng)、溫度、應(yīng)力多物理場(chǎng)耦合效應(yīng)的仿真平臺(tái)，并進(jìn)行驗(yàn)證和優(yōu)化。

（2）多物理場(chǎng)耦合對(duì)微納器件性能及失效機(jī)制的影響規(guī)律研究

具體研究問題：在電場(chǎng)、溫度、機(jī)械應(yīng)力等多物理場(chǎng)耦合作用下，微納器件的關(guān)鍵性能參數(shù)（如閾值電壓、亞閾值斜率、漏電流、跨導(dǎo)等）如何變化？哪些物理機(jī)制（如應(yīng)力誘導(dǎo)的能帶彎曲、界面態(tài)變化、位錯(cuò)形核與擴(kuò)展等）主導(dǎo)了器件的性能退化過程？不同類型的多物理場(chǎng)耦合（如電熱、電機(jī)械、熱機(jī)械）對(duì)器件失效的影響有何差異？

假設(shè)：電場(chǎng)、溫度、應(yīng)力的多物理場(chǎng)耦合會(huì)通過協(xié)同作用加劇器件的閾值電壓漂移、增加漏電流、降低亞閾值斜率；應(yīng)力主要通過改變能帶結(jié)構(gòu)導(dǎo)致閾值電壓的變化，而溫度則主要通過影響載流子濃度和遷移率；不同類型的多物理場(chǎng)耦合會(huì)導(dǎo)致不同的失效模式，例如電熱耦合易引發(fā)局域熱點(diǎn)和材料熱損傷，電機(jī)械耦合易導(dǎo)致柵氧化層破裂或界面態(tài)生成，熱機(jī)械耦合易引發(fā)位錯(cuò)形核與擴(kuò)展。

研究?jī)?nèi)容：設(shè)計(jì)系列不同幾何結(jié)構(gòu)、工作條件的納米晶體管樣品，通過仿真計(jì)算和實(shí)驗(yàn)測(cè)量，系統(tǒng)研究在單一和復(fù)合場(chǎng)（電場(chǎng)+溫度、電場(chǎng)+應(yīng)力、溫度+應(yīng)力、電場(chǎng)+溫度+應(yīng)力）作用下的器件電學(xué)特性變化；利用DFT和NEGF/NTB仿真，分析應(yīng)力場(chǎng)和溫度場(chǎng)對(duì)能帶結(jié)構(gòu)、態(tài)密度、載流子輸運(yùn)系數(shù)的影響機(jī)制；結(jié)合實(shí)驗(yàn)觀測(cè)（如透射電子顯微鏡、掃描電子顯微鏡），研究多物理場(chǎng)耦合作用下的器件微觀結(jié)構(gòu)演變和缺陷形成過程；建立多物理場(chǎng)耦合效應(yīng)對(duì)器件性能參數(shù)和壽命的影響模型。

（3）微納器件多物理場(chǎng)耦合作用下的實(shí)驗(yàn)表征技術(shù)研究

具體研究問題：如何發(fā)展原位、實(shí)時(shí)測(cè)量多物理場(chǎng)耦合下微納器件應(yīng)力、溫度、電學(xué)響應(yīng)的實(shí)驗(yàn)技術(shù)？現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)技術(shù)存在哪些局限性？如何通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證和修正仿真模型？

假設(shè)：通過將納米壓痕技術(shù)與電學(xué)測(cè)試相結(jié)合，可以在施加可控機(jī)械載荷的同時(shí)測(cè)量器件的電學(xué)響應(yīng)，從而原位研究應(yīng)力對(duì)器件性能的影響；通過將掃描熱成像技術(shù)與電流映射技術(shù)相結(jié)合，可以實(shí)時(shí)獲取器件工作狀態(tài)下的溫度分布和電學(xué)響應(yīng)，從而研究電熱耦合效應(yīng)；通過優(yōu)化實(shí)驗(yàn)條件，可以克服環(huán)境干擾，實(shí)現(xiàn)高時(shí)空分辨率的測(cè)量。

研究?jī)?nèi)容：設(shè)計(jì)并搭建能夠同時(shí)施加電場(chǎng)、溫度和機(jī)械應(yīng)力，并原位測(cè)量器件電學(xué)響應(yīng)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)；優(yōu)化AFM/納米壓痕與電學(xué)測(cè)試的集成方案，研究不同應(yīng)力狀態(tài)下器件的力學(xué)和電學(xué)特性；優(yōu)化掃描熱成像與電流映射的同步測(cè)量方案，研究器件工作狀態(tài)下的電熱耦合效應(yīng)；利用高分辨率的原位實(shí)驗(yàn)結(jié)果，驗(yàn)證和修正仿真模型，特別是應(yīng)力場(chǎng)和溫度場(chǎng)的分布模型以及它們對(duì)器件性能影響的模型。

（4）面向多物理場(chǎng)耦合效應(yīng)的器件設(shè)計(jì)軟件工具研制與設(shè)計(jì)指南形成

具體研究問題：如何將本項(xiàng)目開發(fā)的耦合仿真模型、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和分析方法集成到一個(gè)用戶友好的軟件平臺(tái)中？如何形成一套包含多物理場(chǎng)耦合效應(yīng)考慮的器件設(shè)計(jì)指南，以指導(dǎo)工程實(shí)踐？

假設(shè)：通過將本項(xiàng)目開發(fā)的耦合仿真模型和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)封裝成模塊，集成到一個(gè)基于圖形用戶界面的軟件平臺(tái)中，可以為芯片設(shè)計(jì)工程師提供便捷的多物理場(chǎng)耦合效應(yīng)分析工具；通過總結(jié)本項(xiàng)目的研究成果，特別是多物理場(chǎng)耦合效應(yīng)對(duì)器件性能和可靠性的影響規(guī)律、實(shí)驗(yàn)表征方法和設(shè)計(jì)優(yōu)化策略，可以形成一套實(shí)用的器件設(shè)計(jì)指南。

研究?jī)?nèi)容：基于本項(xiàng)目開發(fā)的仿真模型和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，開發(fā)一個(gè)包含多物理場(chǎng)耦合效應(yīng)分析模塊的器件設(shè)計(jì)軟件工具，提供參數(shù)輸入、模型選擇、仿真計(jì)算、結(jié)果可視化等功能；整理和分析本項(xiàng)目的研究成果，特別是多物理場(chǎng)耦合效應(yīng)對(duì)器件性能和可靠性的影響規(guī)律、實(shí)驗(yàn)表征方法和設(shè)計(jì)優(yōu)化策略，形成一套面向工程實(shí)踐的多物理場(chǎng)耦合效應(yīng)器件設(shè)計(jì)指南；將軟件工具和設(shè)計(jì)指南應(yīng)用于實(shí)際器件設(shè)計(jì)案例，驗(yàn)證其有效性和實(shí)用性。

六.研究方法與技術(shù)路線

1.研究方法、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)收集與分析方法

本項(xiàng)目將采用理論分析、計(jì)算模擬和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合的研究方法，系統(tǒng)研究微納器件在多物理場(chǎng)耦合作用下的行為。

（1）研究方法

理論分析：基于量子力學(xué)、電動(dòng)力學(xué)、熱力學(xué)、連續(xù)介質(zhì)力學(xué)等基本原理，分析多物理場(chǎng)耦合作用下微納器件的物理機(jī)制，為仿真建模和實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)。

計(jì)算模擬：利用第一性原理計(jì)算（DFT）、非局部緊束縛（NTB）、非平衡格林函數(shù)（NEGF）、有限元方法（FEM）等計(jì)算模擬技術(shù)，構(gòu)建多物理場(chǎng)耦合的仿真模型，預(yù)測(cè)器件在不同工作條件下的電學(xué)、熱學(xué)和力學(xué)行為。開發(fā)并驗(yàn)證多物理場(chǎng)耦合仿真平臺(tái)。

實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證：設(shè)計(jì)并制備系列微納器件樣品，利用先進(jìn)的表征技術(shù)，原位或非原位測(cè)量器件在多物理場(chǎng)耦合作用下的應(yīng)力、溫度、電學(xué)響應(yīng)，驗(yàn)證仿真模型的準(zhǔn)確性，并揭示器件失效的微觀機(jī)制。

相互印證：通過仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的相互比對(duì)和驗(yàn)證，不斷修正和完善理論模型、仿真方法和實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，形成對(duì)多物理場(chǎng)耦合效應(yīng)的系統(tǒng)性認(rèn)識(shí)。

（2）實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

樣品制備：采用標(biāo)準(zhǔn)的微納加工工藝，制備不同幾何結(jié)構(gòu)（如不同柵長(zhǎng)、柵高、溝道材料）、不同工作條件的納米晶體管樣品，包括但不限于常規(guī)SiMOSFET、高k/MgO柵介質(zhì)晶體管、Ge/Si異質(zhì)結(jié)晶體管等。利用電子束光刻、化學(xué)氣相沉積、原子層沉積等技術(shù)精確控制器件結(jié)構(gòu)參數(shù)。

仿真設(shè)計(jì)：在計(jì)算模擬階段，基于制備的器件結(jié)構(gòu)參數(shù)，設(shè)計(jì)不同的電場(chǎng)、溫度、應(yīng)力加載條件和工作模式（如靜態(tài)、動(dòng)態(tài)、脈沖），進(jìn)行仿真計(jì)算。

實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)：針對(duì)不同的研究目標(biāo)，設(shè)計(jì)相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)方案。例如，在研究電場(chǎng)-溫度耦合效應(yīng)時(shí)，設(shè)計(jì)在可控溫度下施加不同電場(chǎng)的實(shí)驗(yàn)；在研究應(yīng)力-電場(chǎng)耦合效應(yīng)時(shí)，設(shè)計(jì)在施加機(jī)械應(yīng)力同時(shí)測(cè)量電學(xué)響應(yīng)的實(shí)驗(yàn)；在研究多物理場(chǎng)耦合下的器件失效機(jī)制時(shí)，設(shè)計(jì)加速應(yīng)力測(cè)試實(shí)驗(yàn)，如高溫高壓、循環(huán)應(yīng)力等。

（3）數(shù)據(jù)收集方法

仿真數(shù)據(jù)：通過運(yùn)行多物理場(chǎng)耦合仿真模型，獲取器件在不同工作條件下的電學(xué)參數(shù)（如閾值電壓、漏電流、跨導(dǎo)、亞閾值斜率等）、熱學(xué)參數(shù)（如溫度分布、熱導(dǎo)率等）和力學(xué)參數(shù)（如應(yīng)力分布、應(yīng)變等）。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)：利用多種表征技術(shù)收集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，包括：

電學(xué)測(cè)試：采用高精度半導(dǎo)體參數(shù)分析儀，測(cè)量器件在不同溫度、應(yīng)力條件下的直流和交流電學(xué)特性。

熱學(xué)測(cè)量：利用紅外熱像儀、熱反射計(jì)等測(cè)量器件表面的溫度分布和溫度變化。

力學(xué)測(cè)量：利用原子力顯微鏡（AFM）、納米壓痕儀等測(cè)量器件表面的形變、硬度等力學(xué)參數(shù)，以及原位測(cè)量應(yīng)力施加過程中的電學(xué)響應(yīng)。

微觀結(jié)構(gòu)觀察：利用掃描電子顯微鏡（SEM）、透射電子顯微鏡（TEM）等觀察器件的表面形貌和內(nèi)部結(jié)構(gòu)，分析多物理場(chǎng)耦合作用下的器件損傷和失效模式。

（4）數(shù)據(jù)分析方法

仿真數(shù)據(jù)分析：對(duì)仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析、曲線擬合、參數(shù)敏感性分析等，揭示多物理場(chǎng)耦合效應(yīng)對(duì)器件性能的影響規(guī)律和物理機(jī)制。利用誤差分析等方法評(píng)估仿真結(jié)果的可靠性。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析：對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪、標(biāo)定、統(tǒng)計(jì)分析等處理，提取器件在多物理場(chǎng)耦合作用下的響應(yīng)特征。利用圖像處理技術(shù)分析微觀結(jié)構(gòu)圖像，量化器件的損傷程度。將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，驗(yàn)證和修正仿真模型。

統(tǒng)計(jì)模型建立：基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，利用回歸分析、機(jī)器學(xué)習(xí)等方法建立多物理場(chǎng)耦合效應(yīng)對(duì)器件性能和壽命的統(tǒng)計(jì)模型，為器件設(shè)計(jì)和可靠性評(píng)估提供依據(jù)。

機(jī)理分析：結(jié)合理論分析和實(shí)驗(yàn)觀測(cè)，深入分析多物理場(chǎng)耦合作用下器件的性能退化和失效機(jī)理，形成對(duì)問題的系統(tǒng)性認(rèn)識(shí)。

2.技術(shù)路線

本項(xiàng)目的研究將按照以下技術(shù)路線展開：

第一階段：基礎(chǔ)研究與模型開發(fā)（第1-12個(gè)月）

1.1開展文獻(xiàn)調(diào)研，深入分析國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，明確本項(xiàng)目的研究重點(diǎn)和難點(diǎn)。

1.2基于DFT計(jì)算硅基及新型半導(dǎo)體材料（如Ge、二硫化鉬等）的本征能帶結(jié)構(gòu)、態(tài)密度和電子結(jié)構(gòu)參數(shù)。

1.3利用NTB方法構(gòu)建考慮量子尺寸效應(yīng)的器件緊束縛模型，并將其與NEGF方法結(jié)合，建立能夠描述非平衡態(tài)電學(xué)和熱學(xué)輸運(yùn)的量子耦合模型框架。

1.4開發(fā)應(yīng)力場(chǎng)與電學(xué)/熱學(xué)模型的耦合接口，實(shí)現(xiàn)應(yīng)力分布對(duì)能帶結(jié)構(gòu)、載流子有效質(zhì)量、遷移率以及熱導(dǎo)率的影響建模。

1.5初步搭建多物理場(chǎng)耦合仿真平臺(tái)，并進(jìn)行驗(yàn)證，選擇代表性的器件結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真計(jì)算，與現(xiàn)有模型結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。

第二階段：仿真與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的性能與機(jī)理研究（第13-36個(gè)月）

2.1設(shè)計(jì)并制備系列微納器件樣品，包括不同幾何結(jié)構(gòu)、不同材料的晶體管。

2.2利用仿真平臺(tái)，系統(tǒng)研究電場(chǎng)、溫度、應(yīng)力單場(chǎng)及多場(chǎng)耦合作用下器件的關(guān)鍵性能參數(shù)（如閾值電壓、漏電流、跨導(dǎo)等）的變化規(guī)律，并進(jìn)行理論解釋。

2.3搭建并優(yōu)化原位/非原位實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，包括AFM/納米壓痕與電學(xué)測(cè)試集成系統(tǒng)、掃描熱成像與電流映射同步測(cè)量系統(tǒng)。

2.4開展實(shí)驗(yàn)研究，測(cè)量器件在多物理場(chǎng)耦合作用下的應(yīng)力、溫度、電學(xué)響應(yīng)，驗(yàn)證仿真模型的準(zhǔn)確性。

2.5利用高分辨率的原位實(shí)驗(yàn)結(jié)果，結(jié)合仿真計(jì)算，深入分析多物理場(chǎng)耦合對(duì)器件性能和微觀結(jié)構(gòu)的影響機(jī)制，特別是失效機(jī)制。

第三階段：實(shí)驗(yàn)表征技術(shù)優(yōu)化與設(shè)計(jì)指南形成（第37-48個(gè)月）

3.1進(jìn)一步優(yōu)化和改進(jìn)實(shí)驗(yàn)表征技術(shù)，提高測(cè)量的時(shí)空分辨率和準(zhǔn)確性。

3.2基于仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，開發(fā)面向多物理場(chǎng)耦合效應(yīng)的器件設(shè)計(jì)軟件工具，集成相關(guān)模型和數(shù)據(jù)分析功能。

3.3總結(jié)本項(xiàng)目的研究成果，形成一套包含多物理場(chǎng)耦合效應(yīng)考慮的器件設(shè)計(jì)指南，包括設(shè)計(jì)原則、優(yōu)化策略、可靠性評(píng)估方法等。

3.4將軟件工具和設(shè)計(jì)指南應(yīng)用于實(shí)際器件設(shè)計(jì)案例，進(jìn)行驗(yàn)證和推廣。

第四階段：總結(jié)與成果整理（第49-60個(gè)月）

4.1整理和分析項(xiàng)目的研究成果，包括發(fā)表的論文、申請(qǐng)的專利、開發(fā)的軟件工具、形成的設(shè)計(jì)指南等。

4.2撰寫項(xiàng)目總結(jié)報(bào)告，全面總結(jié)項(xiàng)目的研究?jī)?nèi)容、方法、結(jié)果和結(jié)論。

4.3項(xiàng)目成果交流活動(dòng)，推廣研究成果，為相關(guān)領(lǐng)域的科研和工程實(shí)踐提供支持。

七．創(chuàng)新點(diǎn)

本項(xiàng)目針對(duì)微納器件多物理場(chǎng)耦合作用下的關(guān)鍵科學(xué)問題和技術(shù)挑戰(zhàn)，在理論、方法和應(yīng)用層面均提出了一系列創(chuàng)新點(diǎn)，旨在深化對(duì)器件復(fù)雜行為規(guī)律的理解，并推動(dòng)相關(guān)技術(shù)的進(jìn)步。

（1）理論創(chuàng)新：構(gòu)建考慮非平衡態(tài)物理過程的多物理場(chǎng)耦合基本理論框架。

現(xiàn)有微納器件多物理場(chǎng)耦合理論在處理電場(chǎng)、溫度、應(yīng)力等多場(chǎng)耦合時(shí)，往往簡(jiǎn)化為平衡態(tài)或準(zhǔn)平衡態(tài)近似，難以精確描述器件在動(dòng)態(tài)工作條件下的真實(shí)物理過程。本項(xiàng)目的一個(gè)顯著創(chuàng)新點(diǎn)在于，致力于構(gòu)建一個(gè)能夠同時(shí)精確描述電學(xué)、熱學(xué)、力學(xué)非平衡態(tài)物理過程及其相互作用的基本理論框架。具體而言，本項(xiàng)目將突破傳統(tǒng)熱力學(xué)平衡態(tài)假設(shè)的束縛，結(jié)合非平衡格林函數(shù)（NEGF）理論描述電學(xué)輸運(yùn)的量子效應(yīng)和非平衡態(tài)特性，采用非平衡態(tài)路徑積分（NEP）或相關(guān)非平衡態(tài)熱力學(xué)方法描述溫度場(chǎng)的影響，并發(fā)展能夠處理應(yīng)力下能帶結(jié)構(gòu)非平衡演化的理論模型。特別是，本項(xiàng)目將探索多物理場(chǎng)耦合下的非平衡態(tài)相變和損傷演化機(jī)理，例如電熱耦合引發(fā)的局域熱激增與材料相變/損傷的關(guān)系，應(yīng)力與電場(chǎng)/溫度耦合作用下的界面態(tài)非平衡產(chǎn)生機(jī)制等，旨在揭示多物理場(chǎng)耦合作用下器件性能退化和失效的深層物理根源，為理解極端工作條件下的器件行為提供新的理論視角和理論工具。這種對(duì)非平衡態(tài)物理過程的深入探索，是對(duì)現(xiàn)有多物理場(chǎng)耦合理論的重大補(bǔ)充和發(fā)展。

（2）方法創(chuàng)新：發(fā)展基于第一性原理計(jì)算與多尺度模擬相結(jié)合的耦合仿真新方法。

現(xiàn)有的多物理場(chǎng)耦合仿真方法在精度和效率上存在權(quán)衡。基于連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的宏觀模型計(jì)算速度快但精度有限，尤其是在納米尺度下難以準(zhǔn)確描述量子效應(yīng)和微觀結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)；而基于第一性原理計(jì)算或tight-binding方法可以得到高精度結(jié)果，但計(jì)算成本高昂，難以直接應(yīng)用于大尺寸器件或復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)。本項(xiàng)目的另一個(gè)重要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)在于，提出一種將第一性原理計(jì)算與多尺度模擬方法（如非局部緊束縛NTB、非平衡格林函數(shù)NEGF、有限元FEM）有機(jī)結(jié)合起來，構(gòu)建高效、精確的多物理場(chǎng)耦合仿真新方法。具體而言，本項(xiàng)目將利用第一性原理計(jì)算精確獲取本征的能帶結(jié)構(gòu)、態(tài)密度、電子結(jié)構(gòu)參數(shù)等基礎(chǔ)物性數(shù)據(jù)，然后將這些數(shù)據(jù)作為輸入?yún)?shù)，構(gòu)建更高精度、同時(shí)又能保持一定計(jì)算效率的NTB或NEGF模型。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步耦合FEM方法，精確模擬器件在宏觀尺度上的電場(chǎng)分布、溫度分布和應(yīng)力場(chǎng)分布，并在關(guān)鍵區(qū)域（如柵氧化層界面、源漏極頸部）使用高精度的量子模型進(jìn)行描述。這種多尺度耦合方法旨在克服單一尺度方法的局限性，在保證計(jì)算精度的同時(shí)顯著提高計(jì)算效率，實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜微納器件在多物理場(chǎng)耦合作用下行為的高保真模擬，為器件設(shè)計(jì)和可靠性評(píng)估提供更可靠的預(yù)測(cè)工具。特別是在處理電場(chǎng)、溫度、應(yīng)力耦合下的量子輸運(yùn)、非平衡態(tài)熱過程以及應(yīng)力誘導(dǎo)的量子結(jié)構(gòu)演化等方面，這種耦合方法將展現(xiàn)出獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。

（3）實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新：發(fā)展原位、多場(chǎng)耦合、高時(shí)空分辨率的實(shí)驗(yàn)表征新技術(shù)。

現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)技術(shù)大多難以實(shí)現(xiàn)對(duì)微納器件在真實(shí)工作條件下多物理場(chǎng)耦合作用的原位、實(shí)時(shí)、高分辨率測(cè)量。例如，應(yīng)力測(cè)量通常采用納米壓痕等非原位技術(shù)，無法直接獲取器件在工作狀態(tài)下的應(yīng)力分布；溫度測(cè)量雖然發(fā)展較快，但難以與電學(xué)響應(yīng)進(jìn)行精確的原位同步測(cè)量；而器件的微觀結(jié)構(gòu)演變則需要在失效后進(jìn)行表征，無法捕捉動(dòng)態(tài)演化過程。本項(xiàng)目的又一創(chuàng)新點(diǎn)在于，致力于發(fā)展一套能夠?qū)崿F(xiàn)原位、多場(chǎng)耦合（電場(chǎng)、溫度、應(yīng)力）、高時(shí)空分辨率的實(shí)驗(yàn)表征新技術(shù)。具體而言，本項(xiàng)目將探索將AFM/納米壓痕技術(shù)與電學(xué)測(cè)試集成，實(shí)現(xiàn)在施加可控機(jī)械載荷的同時(shí)原位測(cè)量器件的電學(xué)響應(yīng)，以研究應(yīng)力對(duì)器件性能的影響；將掃描熱成像技術(shù)與電流映射技術(shù)相結(jié)合，并實(shí)現(xiàn)同步測(cè)量，以獲取器件工作狀態(tài)下的溫度分布和電學(xué)響應(yīng)，研究電熱耦合效應(yīng)；探索利用原位透射電子顯微鏡（TEM）等技術(shù)，在接近實(shí)際工作條件下實(shí)時(shí)觀察器件的結(jié)構(gòu)演變和缺陷形成過程；此外，還將探索利用先進(jìn)的同步輻射、飛秒激光等技術(shù)，獲取更高時(shí)空分辨率的動(dòng)態(tài)響應(yīng)信息。這些實(shí)驗(yàn)技術(shù)的創(chuàng)新將能夠提供器件在多物理場(chǎng)耦合作用下更全面、更真實(shí)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，為驗(yàn)證和修正仿真模型提供有力支撐，并揭示器件失效的微觀機(jī)制，是推動(dòng)該領(lǐng)域研究從宏觀現(xiàn)象觀測(cè)向微觀機(jī)制探索深入的關(guān)鍵。

（4）應(yīng)用創(chuàng)新：建立面向多物理場(chǎng)耦合效應(yīng)的器件設(shè)計(jì)分析與評(píng)估技術(shù)體系。

現(xiàn)有的器件設(shè)計(jì)和可靠性評(píng)估方法往往基于單一物理場(chǎng)或簡(jiǎn)化模型，難以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)器件在實(shí)際復(fù)雜工作環(huán)境下的性能和壽命。本項(xiàng)目的最終創(chuàng)新點(diǎn)在于，旨在建立一個(gè)面向多物理場(chǎng)耦合效應(yīng)的、系統(tǒng)化的器件設(shè)計(jì)分析與評(píng)估技術(shù)體系，并形成相應(yīng)的工程應(yīng)用工具和設(shè)計(jì)指南。具體而言，本項(xiàng)目將基于開發(fā)的仿真模型和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，研制一個(gè)集成了多物理場(chǎng)耦合效應(yīng)分析模塊的器件設(shè)計(jì)軟件工具，為芯片設(shè)計(jì)工程師提供一個(gè)便捷的分析工具，使其能夠在設(shè)計(jì)階段就考慮電場(chǎng)、溫度、應(yīng)力等多場(chǎng)耦合的影響，優(yōu)化器件結(jié)構(gòu)和工作參數(shù)，提升器件的性能和可靠性。同時(shí)，本項(xiàng)目將系統(tǒng)總結(jié)研究成果，特別是多物理場(chǎng)耦合效應(yīng)對(duì)器件性能和可靠性的影響規(guī)律、實(shí)驗(yàn)表征方法和設(shè)計(jì)優(yōu)化策略，形成一套實(shí)用的、可指導(dǎo)工程實(shí)踐的多物理場(chǎng)耦合效應(yīng)器件設(shè)計(jì)指南。這套技術(shù)體系和應(yīng)用工具的建立，將直接服務(wù)于國(guó)家集成電路產(chǎn)業(yè)和先進(jìn)制造技術(shù)的發(fā)展，為我國(guó)自主設(shè)計(jì)高性能、高可靠性微納器件提供關(guān)鍵的技術(shù)支撐，具有重要的社會(huì)經(jīng)濟(jì)價(jià)值和應(yīng)用前景。

八．預(yù)期成果

本項(xiàng)目通過系統(tǒng)研究微納器件在電場(chǎng)、溫度、機(jī)械應(yīng)力等多物理場(chǎng)耦合作用下的行為，預(yù)期在理論、方法、技術(shù)及應(yīng)用等多個(gè)層面取得一系列創(chuàng)新性成果。

（1）理論成果：深化對(duì)多物理場(chǎng)耦合作用下微納器件物理機(jī)制的理解。

本項(xiàng)目預(yù)期在以下幾個(gè)方面取得重要的理論貢獻(xiàn)：一是建立一套完善的多物理場(chǎng)耦合作用下微納器件輸運(yùn)特性的物理模型和理論框架。通過結(jié)合非平衡態(tài)格林函數(shù)、非平衡態(tài)熱力學(xué)和連續(xù)介質(zhì)力學(xué)等理論，精確描述電場(chǎng)、溫度、應(yīng)力等非平衡場(chǎng)之間的相互作用機(jī)制，以及它們對(duì)器件能帶結(jié)構(gòu)、載流子輸運(yùn)、熱傳導(dǎo)和力學(xué)行為的影響規(guī)律。二是揭示多物理場(chǎng)耦合效應(yīng)對(duì)器件性能參數(shù)和微觀結(jié)構(gòu)演化的內(nèi)在物理機(jī)制。闡明應(yīng)力誘導(dǎo)的能帶彎曲、界面態(tài)變化、位錯(cuò)形核與擴(kuò)展等微觀過程在多物理場(chǎng)耦合作用下的演化規(guī)律，以及這些過程如何協(xié)同導(dǎo)致器件性能退化、參數(shù)漂移甚至失效。三是發(fā)展多物理場(chǎng)耦合作用下器件壽命預(yù)測(cè)的理論模型?；趯?duì)失效機(jī)理的深入理解，建立考慮多場(chǎng)耦合效應(yīng)的器件退化動(dòng)力學(xué)模型和壽命預(yù)測(cè)模型，為器件可靠性評(píng)估提供理論依據(jù)。

（2）方法成果：開發(fā)高效、精確的多物理場(chǎng)耦合仿真方法和先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)表征技術(shù)。

本項(xiàng)目預(yù)期在方法學(xué)上取得顯著進(jìn)展：一是開發(fā)一套基于第一性原理計(jì)算與多尺度模擬相結(jié)合的耦合仿真平臺(tái)。該平臺(tái)能夠高效、精確地模擬復(fù)雜微納器件在電場(chǎng)、溫度、應(yīng)力等多物理場(chǎng)耦合作用下的電學(xué)、熱學(xué)和力學(xué)行為，為器件設(shè)計(jì)和可靠性評(píng)估提供強(qiáng)大的計(jì)算工具。二是發(fā)展一套原位、多場(chǎng)耦合、高時(shí)空分辨率的實(shí)驗(yàn)表征技術(shù)。通過技術(shù)創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)對(duì)器件在工作狀態(tài)下電場(chǎng)、溫度、應(yīng)力分布以及微觀結(jié)構(gòu)演變的原位、實(shí)時(shí)、高精度測(cè)量，為驗(yàn)證和修正仿真模型提供關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并揭示器件失效的微觀機(jī)制。三是建立數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的多物理場(chǎng)耦合效應(yīng)建模方法。利用本項(xiàng)目獲得的仿真和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)等技術(shù)，建立多物理場(chǎng)耦合效應(yīng)對(duì)器件性能影響的統(tǒng)計(jì)模型和預(yù)測(cè)模型，為復(fù)雜條件下的器件行為預(yù)測(cè)提供新途徑。

（3）技術(shù)成果：研制面向多物理場(chǎng)耦合效應(yīng)的器件設(shè)計(jì)軟件工具和設(shè)計(jì)指南。

本項(xiàng)目預(yù)期形成一系列具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的技術(shù)成果：一是研制一個(gè)包含多物理場(chǎng)耦合效應(yīng)分析模塊的器件設(shè)計(jì)軟件工具。該工具集成了本項(xiàng)目開發(fā)的仿真模型和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，提供用戶友好的界面，能夠?yàn)樾酒O(shè)計(jì)工程師提供便捷的多物理場(chǎng)耦合效應(yīng)分析功能，輔助進(jìn)行器件結(jié)構(gòu)優(yōu)化和可靠性設(shè)計(jì)。二是形成一套包含多物理場(chǎng)耦合效應(yīng)考慮的器件設(shè)計(jì)指南。該指南系統(tǒng)總結(jié)了本項(xiàng)目的研究成果，包括多物理場(chǎng)耦合效應(yīng)對(duì)器件性能和可靠性的影響規(guī)律、實(shí)驗(yàn)表征方法和設(shè)計(jì)優(yōu)化策略，為工程實(shí)踐提供指導(dǎo)性建議。三是開發(fā)針對(duì)特定應(yīng)用場(chǎng)景的多物理場(chǎng)耦合效應(yīng)分析解決方案。例如，針對(duì)航空航天、極端環(huán)境探測(cè)等特殊應(yīng)用場(chǎng)景，開發(fā)相應(yīng)的多物理場(chǎng)耦合效應(yīng)分析方法和工具，滿足其對(duì)器件高性能和高可靠性的嚴(yán)苛要求。

（4）應(yīng)用價(jià)值：提升我國(guó)微納器件的設(shè)計(jì)水平和可靠性，推動(dòng)相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

本項(xiàng)目的預(yù)期成果具有重要的應(yīng)用價(jià)值：一是提升我國(guó)微納器件的設(shè)計(jì)水平和創(chuàng)新能力。通過本項(xiàng)目的研究成果，可以幫助國(guó)內(nèi)芯片設(shè)計(jì)企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)更深入地理解多物理場(chǎng)耦合效應(yīng)對(duì)器件行為的影響，從而在進(jìn)行器件設(shè)計(jì)和開發(fā)時(shí)，能夠更好地規(guī)避潛在的風(fēng)險(xiǎn)，優(yōu)化器件性能，縮短研發(fā)周期，提升產(chǎn)品的核心競(jìng)爭(zhēng)力。二是提高我國(guó)微納器件的可靠性和使用壽命。本項(xiàng)目的研究成果將為器件的可靠性設(shè)計(jì)和評(píng)估提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐，有助于開發(fā)出性能更穩(wěn)定、壽命更長(zhǎng)的微納器件，滿足日益增長(zhǎng)的高性能計(jì)算、通信、傳感等領(lǐng)域的需求。三是推動(dòng)我國(guó)集成電路產(chǎn)業(yè)和相關(guān)制造業(yè)的發(fā)展。本項(xiàng)目的研究成果將直接服務(wù)于國(guó)家集成電路產(chǎn)業(yè)和先進(jìn)制造技術(shù)的發(fā)展，為我國(guó)自主設(shè)計(jì)高性能、高可靠性微納器件提供關(guān)鍵的技術(shù)支撐，有助于突破國(guó)外技術(shù)壟斷，保障產(chǎn)業(yè)鏈安全，促進(jìn)相關(guān)產(chǎn)業(yè)的升級(jí)換代。四是拓展多物理場(chǎng)耦合效應(yīng)的研究領(lǐng)域。本項(xiàng)目的研究成果和建立的技術(shù)體系，不僅對(duì)微納電子器件領(lǐng)域具有重要意義，還可以為其他涉及多物理場(chǎng)耦合作用的科學(xué)和工程問題（如材料科學(xué)、生物醫(yī)學(xué)工程、能源科學(xué)等）提供借鑒和參考，推動(dòng)相關(guān)領(lǐng)域的交叉學(xué)科發(fā)展。

綜上所述，本項(xiàng)目預(yù)期在理論、方法、技術(shù)和應(yīng)用等多個(gè)層面取得一系列創(chuàng)新性成果，為深化對(duì)微納器件復(fù)雜行為規(guī)律的理解、提升器件設(shè)計(jì)水平和可靠性、推動(dòng)相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展做出重要貢獻(xiàn)。

九.項(xiàng)目實(shí)施計(jì)劃

（1）項(xiàng)目時(shí)間規(guī)劃

本項(xiàng)目計(jì)劃總執(zhí)行周期為60個(gè)月，分為四個(gè)階段，每個(gè)階段包含具體的任務(wù)和預(yù)期目標(biāo)，并制定了相應(yīng)的進(jìn)度安排。

第一階段：基礎(chǔ)研究與模型開發(fā)（第1-12個(gè)月）

任務(wù)分配：

1.1（1-3個(gè)月）：深入開展文獻(xiàn)調(diào)研，梳理國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，明確本項(xiàng)目的研究重點(diǎn)、難點(diǎn)和技術(shù)路線，完成項(xiàng)目申報(bào)書和初步研究計(jì)劃的制定。

1.2（4-6個(gè)月）：利用DFT計(jì)算硅基及新型半導(dǎo)體材料（如Ge、二硫化鉬等）的本征能帶結(jié)構(gòu)、態(tài)密度和電子結(jié)構(gòu)參數(shù)，完成至少3種代表性材料的計(jì)算分析。

1.3（7-9個(gè)月）：利用NTB方法構(gòu)建考慮量子尺寸效應(yīng)的器件緊束縛模型，并將其與NEGF方法初步結(jié)合，完成MOSFET器件的仿真框架搭建。

1.4（10-12個(gè)月）：開發(fā)應(yīng)力場(chǎng)與電學(xué)/熱學(xué)模型的耦合接口，完成初步的仿真平臺(tái)搭建，并進(jìn)行小規(guī)模驗(yàn)證計(jì)算，初步驗(yàn)證模型框架的正確性。

進(jìn)度安排：

第1-3個(gè)月：完成文獻(xiàn)調(diào)研和研究計(jì)劃制定。

第4-6個(gè)月：完成DFT計(jì)算分析。

第7-9個(gè)月：完成NTB和NEGF模型結(jié)合。

第10-12個(gè)月：完成耦合接口開發(fā)和初步平臺(tái)搭建及驗(yàn)證。

第二階段：仿真與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的性能與機(jī)理研究（第13-36個(gè)月）

任務(wù)分配：

2.1（13-18個(gè)月）：設(shè)計(jì)并制備系列微納器件樣品，包括不同幾何結(jié)構(gòu)（如不同柵長(zhǎng)、柵高）、不同材料的晶體管（如Si、Ge、高k/MgO柵介質(zhì)等），完成樣品制備和初步電學(xué)測(cè)試。

2.2（19-24個(gè)月）：利用仿真平臺(tái)，系統(tǒng)研究電場(chǎng)、溫度、應(yīng)力單場(chǎng)及電場(chǎng)+溫度、電場(chǎng)+應(yīng)力耦合作用下器件的關(guān)鍵性能參數(shù)（如閾值電壓、漏電流、跨導(dǎo)等）的變化規(guī)律，并進(jìn)行理論解釋。

2.3（25-30個(gè)月）：搭建并優(yōu)化原位/非原位實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，包括AFM/納米壓痕與電學(xué)測(cè)試集成系統(tǒng)、掃描熱成像與電流映射同步測(cè)量系統(tǒng)。

2.4（31-36個(gè)月）：開展實(shí)驗(yàn)研究，測(cè)量器件在多物理場(chǎng)耦合作用下的應(yīng)力、溫度、電學(xué)響應(yīng)，驗(yàn)證仿真模型的準(zhǔn)確性，并結(jié)合實(shí)驗(yàn)和仿真結(jié)果，初步分析多物理場(chǎng)耦合對(duì)器件性能和微觀結(jié)構(gòu)的影響機(jī)制，特別是失效機(jī)制。

進(jìn)度安排：

第13-18個(gè)月：完成樣品制備和初步電學(xué)測(cè)試。

第19-24個(gè)月：完成單場(chǎng)及部分雙場(chǎng)耦合的仿真研究。

第25-30個(gè)月：完成實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建和優(yōu)化。

第31-36個(gè)月：完成實(shí)驗(yàn)研究和初步的機(jī)理分析。

第三階段：實(shí)驗(yàn)表征技術(shù)優(yōu)化與設(shè)計(jì)指南形成（第37-48個(gè)月）

任務(wù)分配：

3.1（37-42個(gè)月）：進(jìn)一步優(yōu)化和改進(jìn)實(shí)驗(yàn)表征技術(shù)，提高測(cè)量的時(shí)空分辨率和準(zhǔn)確性，特別是原位實(shí)驗(yàn)技術(shù)的優(yōu)化。

3.2（43-46個(gè)月）：基于仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，開發(fā)面向多物理場(chǎng)耦合效應(yīng)的器件設(shè)計(jì)軟件工具，集成相關(guān)模型和數(shù)據(jù)分析功能。

3.3（47-48個(gè)月）：總結(jié)本項(xiàng)目的研究成果，形成一套包含多物理場(chǎng)耦合效應(yīng)考慮的器件設(shè)計(jì)指南，包括設(shè)計(jì)原則、優(yōu)化策略、可靠性評(píng)估方法等。

進(jìn)度安排：

第37-42個(gè)月：完成實(shí)驗(yàn)表征技術(shù)優(yōu)化。

第43-46個(gè)月：完成軟件工具開發(fā)。

第47-48個(gè)月：完成設(shè)計(jì)指南形成。

第四階段：總結(jié)與成果整理（第49-60個(gè)月）

任務(wù)分配：

4.1（49-52個(gè)月）：整理和分析項(xiàng)目的研究成果，包括發(fā)表的論文、申請(qǐng)的專利、開發(fā)的軟件工具、形成的設(shè)計(jì)指南等。

4.2（53-56個(gè)月）：撰寫項(xiàng)目總結(jié)報(bào)告，全面總結(jié)項(xiàng)目的研究?jī)?nèi)容、方法、結(jié)果和結(jié)論。

4.3（57-60個(gè)月）：項(xiàng)目成果交流活動(dòng)，推廣研究成果，為相關(guān)領(lǐng)域的科研和工程實(shí)踐提供支持，完成項(xiàng)目結(jié)題。

進(jìn)度安排：

第49-52個(gè)月：完成研究成果整理。

第53-56個(gè)月：完成項(xiàng)目總結(jié)報(bào)告撰寫。

第57-60個(gè)月：完成成果交流活動(dòng)和項(xiàng)目結(jié)題。

（2）風(fēng)險(xiǎn)管理策略

本項(xiàng)目在實(shí)施過程中可能面臨以下風(fēng)險(xiǎn)，并制定了相應(yīng)的應(yīng)對(duì)策略：

1.技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)：多物理場(chǎng)耦合仿真模型的精度和效率可能無法達(dá)到預(yù)期要求，實(shí)驗(yàn)技術(shù)攻關(guān)遇到困難。

策略：加強(qiáng)技術(shù)預(yù)研，采用多種仿真方法進(jìn)行交叉驗(yàn)證；積極尋求與國(guó)內(nèi)外頂尖研究團(tuán)隊(duì)合作，引進(jìn)先進(jìn)實(shí)驗(yàn)設(shè)備和技術(shù)；建立完善的實(shí)驗(yàn)方案?jìng)溥x方案，確保實(shí)驗(yàn)研究的順利進(jìn)行。

2.研究風(fēng)險(xiǎn)：研究方向的調(diào)整可能導(dǎo)致項(xiàng)目進(jìn)度滯后，研究目標(biāo)難以實(shí)現(xiàn)。

策略：定期召開項(xiàng)目研討會(huì)，評(píng)估研究進(jìn)展，及時(shí)調(diào)整研究方向；建立靈活的研究計(jì)劃，預(yù)留一定的研究彈性；加強(qiáng)團(tuán)隊(duì)內(nèi)部的溝通與協(xié)作，確保研究方向的一致性。

3.人員風(fēng)險(xiǎn)：項(xiàng)目核心成員的變動(dòng)可能影響項(xiàng)目進(jìn)度和質(zhì)量。

策略：建立穩(wěn)定的研究團(tuán)隊(duì)，明確各成員的職責(zé)和分工；加強(qiáng)人員培訓(xùn)和技能提升，提高團(tuán)隊(duì)的整體研究能力；建立人才引進(jìn)和保留機(jī)制，確保項(xiàng)目實(shí)施過程中人員的穩(wěn)定性。

4.經(jīng)費(fèi)風(fēng)險(xiǎn)：項(xiàng)目經(jīng)費(fèi)可能無法完全滿足研究需求。

策略：合理規(guī)劃項(xiàng)目經(jīng)費(fèi)，確保經(jīng)費(fèi)使用的規(guī)范性和有效性；積極拓展經(jīng)費(fèi)來源，爭(zhēng)取更多的科研經(jīng)費(fèi)支持；建立完善的經(jīng)費(fèi)管理制度，確保經(jīng)費(fèi)使用的透明度和公正性。

5.知識(shí)產(chǎn)權(quán)風(fēng)險(xiǎn)：項(xiàng)目研究成果可能存在被侵權(quán)或泄露的風(fēng)險(xiǎn)。

策略：建立完善的知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)制度，及時(shí)申請(qǐng)專利和軟件著作權(quán)；加強(qiáng)保密意識(shí)教育，確保項(xiàng)目研究成果的安全性和保密性；建立成果轉(zhuǎn)化機(jī)制，推動(dòng)研究成果的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。

通過制定科學(xué)的風(fēng)險(xiǎn)管理策略，本項(xiàng)目將有效識(shí)別、評(píng)估和控制項(xiàng)目實(shí)施過程中的風(fēng)險(xiǎn)，確保項(xiàng)目的順利推進(jìn)和預(yù)期目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

十.項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)

（1）項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)成員的專業(yè)背景與研究經(jīng)驗(yàn)

本項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)由來自微電子、材料科學(xué)、力學(xué)和熱物理等領(lǐng)域的資深研究人員組成，團(tuán)隊(duì)成員均具有深厚的學(xué)術(shù)造詣和豐富的項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，能夠覆蓋本項(xiàng)目所需的跨學(xué)科研究需求。

項(xiàng)目負(fù)責(zé)人張明博士，2005年畢業(yè)于清華大學(xué)微電子專業(yè)，獲博士學(xué)位。長(zhǎng)期從事微納電子器件物理及可靠性研究，在電遷移、熱載流子注入和應(yīng)力工程等領(lǐng)域取得了系列創(chuàng)新性成果，在Nature、Science等頂級(jí)期刊發(fā)表論文20余篇，申請(qǐng)專利15項(xiàng)。具有10年微納器件研究經(jīng)驗(yàn)，曾主持國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目1項(xiàng)，在多物理場(chǎng)耦合效應(yīng)研究方面積累了豐富經(jīng)驗(yàn)。

骨干成員李紅教授，2008年獲得北京大學(xué)物理學(xué)博士學(xué)位，研究方向?yàn)榧{米材料物理與器件物理，專注于研究溫度、應(yīng)力、電場(chǎng)等多物理場(chǎng)耦合作用下微納器件的輸運(yùn)特性及失效機(jī)制。在非平衡格林函數(shù)、非平衡態(tài)熱力學(xué)等領(lǐng)域具有深厚的理論基礎(chǔ)和豐富的實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，擅長(zhǎng)利用第一性原理計(jì)算和實(shí)驗(yàn)手段研究低維體系的物理特性。曾參與多項(xiàng)國(guó)家級(jí)科研項(xiàng)目，發(fā)表高水平學(xué)術(shù)論文30余篇，其中SCI論文20余篇，擁有多項(xiàng)發(fā)明專利。具有8年納米器件研究經(jīng)驗(yàn)，在電學(xué)輸運(yùn)、熱物理特性以及力學(xué)性能等方面有深入的研究。

團(tuán)隊(duì)核心成員王強(qiáng)博士，2010年畢業(yè)于復(fù)旦大學(xué)材料科學(xué)專業(yè)，獲博士學(xué)位。研究方向?yàn)橄冗M(jìn)材料的制備與表征，特別是在納米結(jié)構(gòu)材料的制備與性能調(diào)控方面具有豐富經(jīng)驗(yàn)。擅長(zhǎng)利用原子層沉積、分子束外延等先進(jìn)材料制備技術(shù)，以及掃描電子顯微鏡、透射電子顯微鏡等表征技術(shù)。曾參與多項(xiàng)國(guó)家級(jí)科研項(xiàng)目，發(fā)表學(xué)術(shù)論文20余篇，擁有多項(xiàng)實(shí)用新型專利。具有7年材料科學(xué)和器件表征研究經(jīng)驗(yàn)，在納米材料的制備和表征方面積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。

團(tuán)隊(duì)成員劉偉博士，2012年畢業(yè)于哈爾濱工業(yè)大學(xué)力學(xué)專業(yè)，獲博士學(xué)位。研究方向?yàn)楣腆w力學(xué)、納米力學(xué)，在多物理場(chǎng)耦合作用下材料的力學(xué)行為研究方面具有豐富經(jīng)驗(yàn)。擅長(zhǎng)利用納米壓痕、原子力顯微鏡等實(shí)驗(yàn)手段研究材料的力學(xué)性能，以及電場(chǎng)、溫度、應(yīng)力等多物理場(chǎng)耦合作用下材料的力學(xué)行為。曾參與多項(xiàng)國(guó)家級(jí)科研項(xiàng)目，發(fā)表學(xué)術(shù)論文15余篇，擁有多項(xiàng)發(fā)明專利。具有6年固體力學(xué)和納米力學(xué)研究經(jīng)驗(yàn)，在多物理場(chǎng)耦合作用下材料的力學(xué)行為研究方面積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。

項(xiàng)目核心成員趙敏博士，2014年畢業(yè)于北京航空航天大學(xué)熱物理專業(yè)，獲博士學(xué)位。研究方向?yàn)榉瞧胶鈶B(tài)熱力學(xué)和器件熱管理，在非平衡態(tài)熱過程和器件熱管理方面具有豐富經(jīng)驗(yàn)。擅長(zhǎng)利用紅外熱像儀、熱反射計(jì)等實(shí)驗(yàn)手段研究器件的熱行為，以及電場(chǎng)、溫度、應(yīng)力等多物理場(chǎng)耦合作用下器件的熱行為。曾參與多項(xiàng)國(guó)家級(jí)科研項(xiàng)目，發(fā)表學(xué)術(shù)論文20余篇，擁有多項(xiàng)發(fā)明專利。具有5年熱物理和器件熱管理研究經(jīng)驗(yàn)，在非平衡態(tài)熱過程和器件熱行為研究方面積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。

（2）團(tuán)隊(duì)成員的角色分配與合作模式

本項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)成員均具有博士學(xué)位，在各自研究領(lǐng)域取得了突出成就，具備完成本項(xiàng)目研究任務(wù)所需的學(xué)術(shù)水平和實(shí)踐能力。團(tuán)隊(duì)成員之間具有多年的合作研究基礎(chǔ)，能夠高效協(xié)同開展工作。

項(xiàng)目負(fù)責(zé)人張明博士，負(fù)責(zé)項(xiàng)目整體規(guī)劃與協(xié)調(diào)，以及多物理場(chǎng)耦合仿真模型的構(gòu)建與驗(yàn)證工作，特別是電場(chǎng)-溫度、電場(chǎng)-應(yīng)力耦合作用下的器件輸運(yùn)特性及失效機(jī)制研究。同時(shí)，負(fù)責(zé)項(xiàng)目成果的整理與發(fā)布，以及項(xiàng)目經(jīng)費(fèi)的管理與使用。

團(tuán)隊(duì)核心成員李紅教授，負(fù)責(zé)非平衡態(tài)物理過程的理論研究，特別是非平衡格林函數(shù)、非平衡態(tài)熱力學(xué)方法在多物理