提升50倍，中国团队突破二维材料晶体管集成度瓶颈
在复旦大学集成芯片与系统全国重点实验室的净化间里，穿着实验服的科研人员正在向记者演示手中的芯片。
二十几块金黄色的芯片整齐地排列在透明的托盘上，看起来平平无奇，但其中却隐藏着大玄机。每个芯片中都集成了5900个基于二维半导体材料的晶体管，这也是目前国际上二维逻辑功能最大规模的验证纪录，此前的记录是115个晶体管，一举提升了51倍。
复旦大学教授周鹏、研究员包文中联合团队突破了二维半导体电子学集成度瓶颈，完成了从材料到架构再到流片的全链条自主研发，成功研制出全球首款基于二维半导体材料的32位RISC-V架构微处理器。团队将之命名为“无极（WUJI）”，寓意从无到有、没有极限。
4月2日，相关成果发表于《自然》，在32位输入指令的控制下，“无极”可以实现最大为42亿的数据间的加减运算，支持GB级数据存储和访问，以及最长可达10亿条精简指令集的程序编写。
让晶体管“最终形态”走出实验室
“说起这项研究成果，要追溯到十年前……”包文中回忆道。
2015年7月，包文中结束了美国马里兰大学的博士后工作，加入复旦大学微电子学院，一头“扎进”晶圆级二维半导体的可控生长以及其实际应用。
这一年，距离二维材料石墨烯的发现过去了11年，二硫化钼（MoS2）等二维半导体材料也已经开始进入科学家们的视野。
所谓二维（2D），是指材料只在平面延展。厚度仅一到几个原子层，这一“超薄”的特性，使得此类材料展现出非常独特的电子和光学性质，在纳米电子学、光电子学、柔性器件、传感器等领域具有潜在的应用价值。
MoS2则是最为“热门”的二维半导体材料之一，由于其具有天然带隙，且带隙类型可调节，在晶体管和光电器件的制造中独具优势。
包文中指出：“在纳米尺度下，硅材料并不是最好的沟道材料。面对摩尔定律逼近物理极限这一全球性挑战，二维半导体是目前国际公认的破局关键，可以认为是晶体管的‘最终形态’。”
然而，单个晶体管和能够使用的集成电路，中间还是隔着万水千山。好比有一位小提琴演奏家，独奏的水平非常高，但若几十位同样优秀的乐者组成一支交响乐团，就需要排练非常长的时间才能合奏出悦耳的曲子。倘若人数增加到上万人，甚至上亿人，难度就更为可观了。
因此，尽管MoS2做成的单个晶体管的“个人能力”已广受认可，但由于工艺精度与规模均匀性的协同良率控制等挑战，过去最高集成度仅停留在数百晶体管量级，始终未能跨越功能性微处理器的技术门槛。
“二维半导体材料到底能不能做成芯片？性能怎么样？我们就是想解决学术界和产业界的这个疑惑。”周鹏告诉《中国科学报》。
开辟芯片研制的新路
2021年，课题交到了复旦大学博士研究生敖明睿和周秀诚的手上。此前，团队已经在工艺生产上积累了丰富的经验，并利用化学气相沉积法，实现了在工业界主流12英寸晶圆上进行MoS2均匀和单层材料的快速生长。
所谓工欲善其事必先利其器，工业界7纳米、2纳米级别的集成电路，离不开尖端的光刻机等设备。团队的目标做的是一个面向工业生产的集成电路系统，但他们所用的大多为科研级别的仪器，在硬件不够给力的情况下，他们只能主动适应，不断从试错中积累经验。
同时，二维半导体材料极薄的特点，给加工带来了极大的挑战，包文中用雕塑进行了类比。硅材料好比是一块大理石，可以用斧头和凿子把它雕塑成大卫像。而二维半导体则是一块豆腐，可能轻轻一碰就把大卫像的胳膊或者腿给破坏了，必须用特殊的设备去加工。
“不同于大家以为的流水线，二维半导体的生产工艺之间也是环环相扣的，不仅前一个步骤会影响后一个步骤，后一个步骤也会影响前面的步骤。”包文中说道。
敖明睿和周秀诚这几年的日常，就是日复一日地做实验，耐心打磨细节，一点点地调参数、控制实验室环境、优化工艺步骤。
“我们遇到过在某一个步骤停了很长时间，最后分析下来发现是前面某一个工艺有问题导致的。所以没完成一步工艺，我们都需要做相应的测试，确保发现问题之后及时调整。”周秀诚补充道。
值得一提的是，结合团队以往积累的大量材料和工艺数据以及复旦大学在人工智能（AI）方面的布局，团队开发了AI驱动的一贯式协同工艺优化技术，通过“原子级界面精准调控+全流程AI算法优化”双引擎，实现了从材料生长到集成工艺的精准控制。“利用AI算法推荐的组合，我们能够更高效地在实验室里面把芯片来做出来。”包文中表示。
于是，在每个成员共同努力以及新技术的加持下，团队最终解决了二维材料-接触-栅介质-后道工艺的精确耦合调控难题，并利用原子级精度的加工和表征技术，验证了规模化的数字电路。
“这并不是一个整体的颠覆性的变化。就像建造一个好几层高的办公楼，地基和主体都和原来一样，只是中间有几层是用做商场而不是办公室，需要专门设计。”包文中介绍，“无极”的集成工艺中有70%左右的工序可直接沿用现有硅基产线成熟技术，其余核心的二维特色工艺，则结合了团队自主设计的专用工艺设备和体系，构建了包含20余项工艺发明专利。
一个个测试数据都表明，“无极”的集成工艺优化和规模化电路程度，均达到了国际同期最优水平。包文中自信地说道：“我们利用国产半导体设备和开源RISC-V架构，不依赖于先进的EUV光刻机，并融合了自主研发的二维半导体全套集成工艺，为我国开辟一条全新的芯片自主研发之路奠定了基础。”
二维半导体不会取代硅
“正如地铁出现以后，公交车依然有其价值，二维半导体芯片和硅基芯片是互补的关系。”周鹏表示，“‘无极’用的是微米级的工艺，其功耗和纳米级芯片的功耗相当，如果采用更好的光刻机设备，功耗将进一步降低，将来在对低功耗有着更高要求的设备上更具优势。”
周鹏同时强调：“‘无极’只是概念验证原型，整体性能和目前商用的芯片仍存在一定距离，目前并不具备市场优势。”
团队正在为“无极”的转化落地而努力。一方面，他们将进一步提升二维电子器件的性能和集成度，突破当前晶体管集成度的瓶颈，使其在更多应用场景中具备更强的竞争力。在产业化进程上，团队也在加强与现有硅基产线技术的结合，推动核心二维特色工艺的产业化应用，并在与相关企业和机构合作，使其能够尽快在实际产品中发挥作用。
包文中表示，过去几十年间集成电路的发展也为二维半导体芯片的产业化发展积累了丰富的经验，“有理由相信，二维半导体芯片的性能可以在较短的时间里追上硅基芯片，最终形成和硅基芯片长期共存、应用互补的局面。”
相关论文信息：http://doi.org/10.1038/s41586-025-08759-9
本文链接：http://www.gihot.com/show-11-19389-0.html提升50倍，中国团队突破二维材料晶体管集成度瓶颈
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