復旦一團隊今年二登《自然》，實現全球首顆二維-硅基混合架構芯片

二維顛覆性器件如何走向芯片應用？復旦大學周鵬-劉春森團隊在今年4月完成“破曉”二維閃存原型器件研發（相關成果刊登於《自然》雜誌）的基礎上，再次實現突破，將二維超快閃存與成熟硅基CMOS平臺深度融合，率先實現全球首顆二維-硅基混合架構閃存芯片，攻克了新型二維信息器件工程化的關鍵難題。

這一成果可被視爲二維應用工程化的里程碑，更爲新一代顛覆性器件縮短應用化週期提供範例，將有助於推動信息技術進入全新的高速時代。相關成果以《全功能二維-硅基混合架構閃存芯片》爲題發表於最新一期的《自然》。

右側爲世界首顆二維-硅基混合架構閃存芯片，包括二維閃存器件結構、8英寸流片CMOS晶圓、二維-硅基混合架構閃存芯片。（左側爲半導體晶體管從原型器件到第一款CPU，點接觸晶體管照片來源：Computer History Museum，英特爾4004 CPU照片來源：Wikipedia Intel 4004。）

信息的存儲速度極限是人工智能發展的重要瓶頸問題之一，也是集成電路領域最關鍵的基礎科學問題之一。

但是，高性能存儲器往往是速度、功耗和集成度的平衡，簡言之，速度、功耗和集成之間很難同時將三者做到極致。

今年4月，復旦大學集成電路與微納電子創新學院、集成芯片與系統全國重點實驗室周鵬-劉春森團隊就在《自然》提出“破曉”二維閃存原型器件，實現了400皮秒超高速非易失存儲，這是迄今最快的半導體電荷存儲技術。可以說，“破曉”在速度和功耗兩個方面同時實現了突破。

但是二維半導體厚度僅有1–3個原子，如同薄翼般，纖薄而脆弱，而集成電路芯片即便看上去再平滑，表面也有納米級的高低起伏。如何將“破曉”二維原型器件工程化並與成熟的CMOS電路集成，對科學家而言是巨大挑戰。

周鵬-劉春森團隊融入產業鏈，此次研發的“原子芯片（ATOM2CHIP）”系統集成框架，讓原子級器件真正走向功能芯片。團隊提出片上二維全棧集成工藝，通過模塊化集成方案，將二維存儲電路與成熟CMOS電路分離製造，最後與CMOS控制電路通過高密度單片互連技術（微米尺度通孔）實現完整芯片集成，並且進一步提出了跨平臺系統設計方法論實現混合架構兼容運行，包含二維-CMOS電路協同設計、二維-CMOS跨平臺接口設計等。芯片集成良率高達94.3%，支持8-bit指令操作，32-bit高速並行操作與隨機尋址。

過去，顛覆性器件真正走向系統級應用，往往是一場漫長的馬拉松。半導體晶體管自1947年誕生起，歷經貝爾實驗室、仙童與英特爾等頂尖力量二十餘年的接力研發，才終於催生出全球第一顆CPU。此次周鵬-劉春森團隊最新成果在集成方面取得巨大突破，將新一代顛覆性器件直接融入成熟的硅基CMOS工藝平臺，使得原本需要數十年的積累過程得以大幅壓縮。

復旦大學集成電路與微納電子創新學院、集成芯片與系統全國重點實驗室研究員劉春森和教授周鵬爲論文通訊作者，劉春森研究員和博士生江勇波、沈伯僉、袁晟超、曹振遠爲論文第一作者。

研究工作得到了科技部、教育部、國家自然科學基金委、上海市科委等項目和科學探索獎的資助，以及教育部創新平臺的支持。