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复旦团队攻克关键难题 研发全球首颗二维-硅基混合闪存芯片

2025-10-11 01:1330700

复旦大学周鹏-刘春森团队在二维电子器件领域取得重大突破,成功研发全球首颗二维-硅基混合架构闪存芯片。该成果攻克了新型二维信息器件工程化的核心难题,为新一代存储技术开辟了全新路径。相关研究以《全功能二维-硅基混合架构闪存芯片》为题,在国际顶级期刊《自然》上发表。

团队提出的“长缨(CY-01)架构”创新性地将二维超快闪存器件“破晓(PoX)”与成熟硅基CMOS工艺深度融合。这种模块化集成方案通过高密度单片互连技术,在原子尺度上实现了二维材料与CMOS衬底的精密贴合,芯片良率突破94%。研究团队指出,这一架构不仅解决了二维半导体材料与CMOS集成的兼容性问题,更为传统半导体工艺注入了新的发展动能。

面对大数据与人工智能时代对存储性能的极致需求,传统存储器的速度与功耗瓶颈日益凸显。今年4月,该团队曾在《自然》期刊发布“破晓”二维闪存原型器件,以400皮秒的超高速非易失存储性能,创造了半导体电荷存储领域的新纪录。此次混合架构芯片的诞生,标志着这项基础研究成果正式迈向工程化应用阶段。

研究团队历时五年攻克多项技术难关。二维半导体材料厚度仅1-3个原子层,而CMOS电路表面存在微米级的高度起伏,直接集成会导致材料破裂。团队通过“分离制造-互连集成”的创新路径,将二维存储电路与CMOS控制电路独立制备,再通过微米尺度通孔实现系统级集成。这种跨平台系统设计方法论,包含电路协同设计与接口优化等关键技术,为二维电子器件产业化提供了完整解决方案。

当前集成电路产业以CMOS技术为主导,全球大部分芯片均采用该工艺制造。团队认为,将二维超快闪存器件融入现有CMOS产线,既能加速新技术孵化,又能推动传统工艺升级。实验数据显示,二维器件在存储速度、功耗和集成度方面显著优于现有技术,特别是在3D堆叠应用中展现出巨大潜力。

据介绍,二维半导体材料体系与传统硅基工艺存在本质差异。硅片厚度通常达数百微米,而二维材料仅原子级别厚度。这种材料特性差异导致直接集成面临产线污染风险,全球研究者此前只能在平整原生衬底上加工二维材料。团队通过柔性材料处理与模块化集成方案,成功解决了这一行业共性难题。

产业界对该成果给予高度评价。存储器专家指出,二维器件的天然速度优势可突破现有闪存的技术平衡,预计每年600亿美元的存储市场将因此迎来变革。投资机构分析认为,该技术形成了“科学-工程-系统”的完整闭环,依托成熟CMOS产线可大幅缩短研发周期,降低商业化门槛。

研究团队已规划后续发展路线,计划在3-5年内将技术集成至兆量级水平。通过建立实验基地与产学研合作机制,团队将推动知识产权与IP授权,加速技术向个人电脑、移动终端等消费电子领域的渗透。这项被誉为中国集成电路“源技术”的突破,有望重构存储技术体系,为人工智能、大数据等领域提供更高效的解决方案。

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