全球首颗！复旦团队成功研发二维-硅基混合架构闪存芯片

据微信公众号“复旦大学”8日晚消息，时隔半年，继“破晓（PoX）”皮秒闪存器件问世，复旦大学在二维电子器件工程化道路上，再获里程碑式突破。

日前，复旦大学宣布，该校周鹏-刘春森团队研发的“长缨（CY-01）”架构，将二维超快闪存器件“破晓（POX）”与成熟硅基CMOS工艺深度融合，率先研发出全球首颗二维-硅基混合架构芯片。

相关研究成果以《全功能二维-硅基混合架构闪存芯片》（A full-featured 2D flash chip enabled by system integration）为题，于北京时间10月8日晚间，在《自然》（Nature）期刊上发表。

封装后的二维-硅基混合架构闪存芯片（带PCB板）

复旦大学表示，这一突破攻克了新型二维信息器件工程化的关键难题，为新一代颠覆性器件缩短应用化周期提供范例，也为推动信息技术迈入全新高速时代提供强力支撑。

大数据与人工智能时代对数据存取性能提出了极致要求，而传统存储器的速度与功耗已成为阻碍算力发展的“卡脖子”问题之一。今年4月，周鹏-刘春森团队于《自然》（Nature）期刊提出“破晓”二维闪存原型器件，实现了400皮秒超高速非易失存储，是迄今最快的半导体电荷存储技术，为打破算力发展困境提供了底层原理。

“破晓（PoX）”皮秒闪存器件

然而，颠覆性器件要真正走向系统级应用，往往是一场漫长的马拉松。回溯硅基芯片的发展历程，半导体晶体管自1947年诞生起，历经贝尔实验室、仙童与英特尔等顶尖力量二十余年的接力研发，才终于催生出全球第一颗CPU。

作为集成电路的前沿领域，二维电子学在近年来获得诸多关注，但研究者们最关心的问题莫过于“LAB to FAB（从实验室到工厂）”难题，也就是这项技术未来是否可以得到真正的应用。如何加速产业化进程，让二维电子器件走向功能芯片？

“从目前技术来看，存储器是二维电子器件最有可能首个产业化的器件类型。因为它对材料质量和工艺制造没有提出更高要求，而且能够达到的性能指标远超现在的产业化技术，可能会产生一些颠覆性的应用场景。”在存储器领域深耕多年的周鹏认为。

当前，CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor，互补金属氧化半导体）技术是集成电路制造的主流工艺，市场中的大部分集成电路芯片均使用CMOS技术制造，产业链较为成熟。团队认为，如果要加快新技术孵化，就要将二维超快闪存器件充分融入CMOS传统半导体产线，而这也能为CMOS技术带来全新突破。

二维-硅基混合架构闪存芯片结构示意图，包含二维模块、CMOS控制电路和微米尺度通孔

为了找到这条“正确的路”，团队前期经历了5年的探索试错，在单个器件、集成工艺等多点协同攻关。团队的第一项集成工作发表于2024年的Nature Electronics，在最理想的原生衬底上实现了二维良率的突破，这为他们在真实复杂的CMOS衬底上解决问题提供了基础。

人们现在所说的芯片多由硅材料制作。而硅材料和二维材料可以说天差地别——硅片厚度往往在几百微米，一些薄层硅至少也有几十纳米；而二维半导体材料是原子级别，相当于厚度不到1纳米。

“二维半导体作为一种全新的材料体系，在国际上所有的集成电路制造工厂里都是不存在的。一旦引入新材料，就有可能对其他电子器件产生不可估量的影响，导致产线被污染，这是所有芯片厂商都无法接受的。”周鹏介绍。

如何将二维材料与CMOS集成又不破坏其性能，是团队需要攻克的核心难题。CMOS电路表面有很多元件，如同一个微缩“城市”，有高楼也有平地，高低起伏；而二维半导体材料厚度仅有1-3个原子，如同“蝉翼”般纤薄而脆弱，如果直接将二维材料铺在CMOS电路上，材料很容易破裂，更不用谈实现电路性能。

“就好比我们从太空看上海，似乎很平坦，但这个城市内部其实有400多米、100多米或者几十米高度不等的建筑。如果铺一张薄膜在城市上方，膜本身就会不平整。”周鹏形象比喻道。

这也是为什么全世界的二维半导体研究者目前只能在极为平整的原生衬底上加工材料。一种解决思路是将CMOS的衬底“磨平”以适应二维材料，但要实现原子级平整并不现实。

二维-硅基混合架构闪存芯片光学显微镜照片

“我们没有必要去改变CMOS，而需要去适应它。”团队决定从本身就具有一定柔性的二维材料入手，通过模块化的集成方案，先将二维存储电路与成熟CMOS电路分离制造，再与CMOS控制电路通过高密度单片互连技术（微米尺度通孔）实现完整芯片集成。

正是这项核心工艺的创新，实现了在原子尺度上让二维材料和CMOS衬底的紧密贴合，最终实现超过94%的芯片良率。团队进一步提出了跨平台系统设计方法论，包含二维-CMOS电路协同设计、二维-CMOS跨平台接口设计等，并将这一系统集成框架命名为“长缨（CY-01）架构”。

从基础研究到工程化应用，团队已跨越最艰难一步，后续迭代进程将进一步加快。他们下一步计划建立实验基地，与相关机构合作，建立自主主导的工程化项目，并计划用3-5年时间将项目集成到兆量级水平，期间产生的知识产权和IP可授权给合作企业。

人工智能时代，当下的AI系统瓶颈正在从前端的算力转向后端的存储和数据，未来的模型会越来越庞大。多位业界人士表示看好该成果以更快速度从实验室走向大规模应用，融入个人电脑、移动端设备等场景。  

存储器产业界代表认为，团队研发的二维器件具有天然的访问速度优势，可突破闪存本身速度、功耗、集成度的平衡，未来或可在3D应用层面带来更大的市场机会，下一步期待通过产学研协同合作，为每年600亿美金的市场带来变革。

“这项成果不只是延续性的技术改良，更多的是存储速度和效率上的一次颠覆性进步。”复容投资代表分析，该技术已形成“科学-工程-系统”闭环，符合AI时代算力存储需求，且通过依托成熟CMOS产线，能够缩短研发周期，降低商业化门槛。  

“这是中国集成电路领域的‘源技术’，使我国在下一代存储核心技术领域掌握了主动权。”展望二维-硅基混合架构闪存芯片的未来，周鹏-刘春森团队期待该技术颠覆传统存储器体系，让通用型存储器取代多级分层存储架构，为人工智能、大数据等前沿领域提供更高速、更低能耗的数据支撑，让二维闪存成为AI时代的标准存储方案。