复旦团队实现二维材料与硅芯片的首次全功能集成

一项由中国科学家完成的研究，正在让“原子级芯片”离现实更近一步。

10月9日，复旦大学刘春森教授及其团队在《自然（Nature）》杂志发表论文，报告了首次将全功能二维材料存储芯片直接集成于标准硅晶圆之上的重大进展。这项成果不仅实现了高性能、低功耗的混合存储芯片原型，更突破了长期以来制约二维电子学走向实用化的关键瓶颈。

📌 核心突破：
在传统0.13微米CMOS工艺芯片上，直接生长出仅几个原子厚的二硫化钼（MoS₂）层，并构建出可独立运行的NOR闪存阵列。

什么是二维材料？为何重要？

二维材料是指厚度仅为单个或数个原子层的晶体材料，其中最著名的代表是石墨烯。而本次研究使用的是二硫化钼（MoS₂），一种具有半导体特性的层状材料。

这类材料的优势在于：

• 极薄结构，适合进一步缩小器件尺寸
• 高载流子迁移率，有利于高速操作
• 表面无悬空键，界面稳定性好
• 可弯曲、透明，适用于新型电子设备

长期以来，二维材料被视为延续摩尔定律的重要候选方案。但问题在于：大多数成果停留在实验室小规模演示阶段，难以与现有半导体产线兼容。

复旦团队的工作，正是要解决这个“从实验室到产线”的鸿沟。

关键技术路径：ATOM2CHIP 工艺

研究团队提出了一种名为 ATOM2CHIP 的新工艺流程，核心目标是：在不破坏硅基CMOS电路的前提下，实现高质量二维材料的原位生长与集成。

该流程包含三大关键技术：

1. 共形粘附生长（Conformal Adhesion）

传统硅芯片表面即使经过抛光，在纳米尺度仍存在起伏。直接沉积二维材料极易导致裂纹或应力集中。

为此，团队开发了一种特殊界面处理方法，使MoS₂层能够“贴合流动”地覆盖底层CMOS结构，实现均匀、无损的共形生长。

2. 二维友好型封装

常规芯片封装过程中的高温和静电可能损伤原子级薄膜。研究人员设计了低温、防静电的封装系统，有效保护二维器件在后续加工中不受损。

3. 跨平台系统设计（Cross-Platform System Design）

这是实现“全功能”的关键——不仅要做出存储单元，还要让它能被控制、读写、寻址。

团队定制了专用接口电路，确保二维存储阵列与下方CMOS控制器之间实现：

• 指令驱动操作
• 32位并行数据处理
• 随机存取能力

最终构成一个真正意义上的完整存储芯片系统，而非孤立器件。

性能表现：接近商用水平

该混合芯片在多项关键指标上表现出色：

这些参数表明，该芯片已具备实际应用潜力，不再是单纯的原理验证。

意义与未来展望

这项研究的意义不仅在于做出了一个新型存储器，更在于建立了一条通往规模化生产的可行路径。

对产业的潜在影响：

• 降低功耗：尤其适用于移动设备与AI加速器等对能效敏感的场景
• 提升集成密度：二维层可堆叠于逻辑电路之上，节省面积
• 延续摩尔定律：在物理极限逼近之际，提供新的缩放方向

当前局限：

• 尚未在先进制程（如7nm以下）上验证
• 生长工艺仍需进一步优化以适应大规模晶圆生产
• 成本与良率控制尚待工业界验证

尽管距离量产还需数年时间，但这已是迄今为止，二维材料最接近商业化落地的一次突破。

学术评价

作者在论文中写道：“我们的工作标志着二维电子学从基础研究向实际应用迈出的关键一步。”

业内专家也认为，这一成果为“异质集成”技术提供了新范式——即通过将新材料与成熟硅工艺结合，而非完全替代它，来推动半导体进步。