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繼今年4月在《自然》提出“破曉”二維閃存原型器件后，復(fù)旦大學(xué)科研團隊又迎來新突破。

北京時間10月8日晚，復(fù)旦大學(xué)在《自然》（Nature）上發(fā)文，題目為《全功能二維-硅基混合架構(gòu)閃存芯片》（“A full-featured 2D flash chip enabled by system integration”），相關(guān)成果率先實現(xiàn)全球首顆二維-硅基混合架構(gòu)芯片，攻克新型二維信息器件工程化關(guān)鍵難題。

面對摩爾定律逼近物理極限的全球性挑戰(zhàn)，具有原子級厚度的二維半導(dǎo)體是目前國際公認(rèn)的破局關(guān)鍵，科學(xué)家們一直在探索如何將二維半導(dǎo)體材料應(yīng)用于集成電路中。

當(dāng)前，國際上對二維半導(dǎo)體的研究仍在起步階段，尚未實現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用。

該系列研究已在此前多個時間點在全球有所突破，從2018年開始，團隊在《自然·納米》、《自然·電子學(xué)》上多次發(fā)表二維閃存器件速度突破的進(jìn)展，在此基礎(chǔ)上，上述2025年4月提出的“破曉”二維閃存原型器件，實現(xiàn)了400皮秒超高速非易失存儲，是迄今最快的半導(dǎo)體電荷存儲技術(shù)。在意識到二維閃存器件顛覆性速度突破的價值后，團隊在2021年開始同步推進(jìn)二維超快閃存集成驗證。

從實驗室到工廠

該文通訊作者。復(fù)旦大學(xué)集成電路與微納電子創(chuàng)新學(xué)院、集成芯片與系統(tǒng)全國重點實驗室研究員劉春森告訴第一財經(jīng)，AI時代對數(shù)據(jù)存儲要求極高，既要有一個很高容量的數(shù)據(jù)訪問，同時又需要訪問速度非?？?，從這個角度看，現(xiàn)有的半導(dǎo)體電荷存儲器都不滿足需求。

“今年4月份提出的破曉閃存，從底層重新構(gòu)建了新的二維存儲方程，并在實驗上證實了驚人的速度突破。這次報道的新工作是要破解新型二維信息器件工程化關(guān)鍵難題，將二維閃存推向產(chǎn)業(yè)化?！彼忉專暗难芯渴菑脑推骷屠碚撋献C明了可行性，下一步要解決產(chǎn)業(yè)化挑戰(zhàn)。

不過，顛覆性器件要真正走向系統(tǒng)級應(yīng)用，往往是一場漫長的馬拉松。半導(dǎo)體晶體管自1947年誕生起，歷經(jīng)貝爾實驗室、仙童與英特爾等頂尖力量二十余年的接力研發(fā)，才終于催生出全球第一顆CPU。如何將二維閃存產(chǎn)業(yè)化，研究團隊從未來應(yīng)用的終點出發(fā)，倒推技術(shù)發(fā)展的正確路徑，想到了和CMOS結(jié)合——通過將新一代顛覆性器件直接融入成熟的硅基CMOS工藝平臺，這一原本需要數(shù)十年的積累過程，或許將被大幅壓縮。

作為集成電路的前沿領(lǐng)域，二維電子學(xué)在近年來獲得諸多關(guān)注，但研究者們最關(guān)心的問題莫過于“LAB to FAB（從實驗室到工廠）”難題，也就是這項技術(shù)未來是否可以得到真正的應(yīng)用。如何加速產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程，讓二維電子器件走向功能芯片？復(fù)旦大學(xué)周鵬-劉春森團隊主動融入產(chǎn)業(yè)鏈，嘗試從未來應(yīng)用的終點出發(fā)，“從10到0”倒推最具可能性的技術(shù)發(fā)展路徑。

“從目前技術(shù)來看，存儲器是二維電子器件最有可能首個產(chǎn)業(yè)化的器件類型。因為它對材料質(zhì)量和工藝制造沒有提出更高要求，而且能夠達(dá)到的性能指標(biāo)遠(yuǎn)超現(xiàn)在的產(chǎn)業(yè)化技術(shù)，可能會產(chǎn)生一些顛覆性的應(yīng)用場景。”在存儲器領(lǐng)域深耕多年、同為通訊作者的復(fù)旦大學(xué)教授周鵬認(rèn)為。

創(chuàng)新集成工藝

當(dāng)前，CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor，互補金屬氧化半導(dǎo)體）技術(shù)是集成電路制造的主流工藝，市場中的大部分集成電路芯片均使用CMOS技術(shù)制造，產(chǎn)業(yè)鏈較為成熟。團隊認(rèn)為，如果要加快新技術(shù)孵化，就要將二維超快閃存器件充分融入CMOS傳統(tǒng)半導(dǎo)體產(chǎn)線，而這也能為CMOS技術(shù)帶來全新突破。

二維半導(dǎo)體厚度僅有1–3個原子，如同“薄翼”般纖薄而脆弱，這一獨特屬性讓其大規(guī)模集成充滿挑戰(zhàn)。團隊研發(fā)“原子芯片(Atomic Device to Chip, ATOM2CHIP)”系統(tǒng)集成框架，讓原子級器件真正走向功能芯片。

團隊提出了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電路分離制造，最后與CMOS控制電路通過高密度單片互連技術(shù)(微米尺度通孔)實現(xiàn)完整芯片集成。這一成果是二維應(yīng)用工程化的里程碑，為新一代顛覆性器件縮短應(yīng)用化周期提供范例，推動信息技術(shù)進(jìn)入全新的高速時代。

“從第一個原型晶體管到第一款 CPU花了大約24年，而我們通過把先進(jìn)技術(shù)融入工業(yè)界現(xiàn)有的CMOS產(chǎn)線，這一原本需要數(shù)十年的積累過程被大幅壓縮，未來可以進(jìn)一步加速探索顛覆性應(yīng)用。”劉春森總結(jié)。

銜接起實驗室成果與產(chǎn)業(yè)化需求，確保理論創(chuàng)新與應(yīng)用轉(zhuǎn)化能夠“雙腿并行”，是周鵬-劉春森團隊在研究中相互交織的兩條主線。依托前期完成的研究成果與集成工作，此次打造出的芯片已成功流片。

他們下一步計劃建立實驗基地，與相關(guān)機構(gòu)合作，建立自主主導(dǎo)的工程化項目。對于產(chǎn)業(yè)化的時間，研究團隊認(rèn)為接下來3~5年的時間，主要靠實驗室團隊和產(chǎn)業(yè)界對接，把芯片的容量做到百萬（Mb）級別，劉春森解釋，一旦把容量做到百萬級別，后續(xù)他們就可以交給產(chǎn)業(yè)界來做，以便利用大規(guī)模的產(chǎn)線去實現(xiàn)第一批可以商業(yè)化的產(chǎn)品。

該研究工作得到了科技部、教育部、國家自然科學(xué)基金委、上海市科委等項目和科學(xué)探索獎的資助，以及教育部創(chuàng)新平臺的支持。復(fù)旦大學(xué)集成電路與微納電子創(chuàng)新學(xué)院、集成芯片與系統(tǒng)全國重點實驗室研究員劉春森和教授周鵬為論文通訊作者，劉春森研究員和博士生江勇波、沈伯僉、袁晟超、曹振遠(yuǎn)為論文第一作者。