在全球新一轮科技革命中，芯片产业不仅关乎着国家信息安全和科技地位，也是衡量一个国家现代化进程和综合国力的指标之一，并被业界称为全球最具战略性价值的产品。

供需市场瞬息万变，面对全球半导体芯片产业链分工模式的大变局，具备自主可控的产业链和供应链体系是全球各地区永不松懈的动力和目标，因此，突破芯片产业“卡脖子”技术瓶颈成为其破局必经之道。

观察各方研发动态，据全球半导体观察不完全统计，今年来共有超30项关键技术取得重要进展，涉足类脑芯片、光子芯片、人工智能芯片、第三/四代半导体（碳化硅/氮化镓/氧化钾/金刚石等），以及光刻胶材料、存储器、晶体管器件等方面。

Part.1
破局第一篇：前沿芯片出世

世界首款类脑互补视觉芯片“天眸芯”

清华大学类脑计算研究中心团队研制出世界首款类脑互补视觉芯片“天眸芯”，在极低的带宽（降低90%）和功耗的代价下，实现了每秒10000帧的高速、10bit的高精度、130dB的高动态范围的视觉信息采集，该芯片突破了传统视觉感知范式的性能瓶颈，能够高效应对各种极端场景。

据悉，该研究团队基于“天眸芯”自主研发了高性能软件和算法，并在开放环境车载平台上进行了性能验证。在多种极端场景下，该系统实现了低延迟、高性能的实时感知推理，展现了其在智能无人系统领域的巨大应用潜力。为自动驾驶、具身智能等重要应用提供强劲的技术支持。

完全可编程拓扑光子芯片

北京大学王剑威研究员、胡小永教授、龚旗煌教授课题组与中国科学院微电子研究所杨妍研究员等成功研制出一种完全可编程的拓扑光子芯片。这款芯片基于可重构的集成光学微环阵列，在仅11mm×7mm的面积内集成了2712个元件，首次成功实现了完全可编程的光学人造原子晶格。同时研究人员在单一芯片平台上实现了包括动态拓扑相变、多晶格拓扑绝缘体、统计相关拓扑鲁棒性以及安德森拓扑绝缘体等多种拓扑现象的实验验证。

研究团队表示，多功能且快速可编程的拓扑光子芯片，充分展现了大规模集成光学技术与前沿拓扑材料物理研究的结合，为先进光子芯片在前沿领域的应用提供了新范式。

新型“光学硅”芯片

中国科学院上海微系统与信息技术研究所研究员欧欣团队成功开发出可批量制造的新型“光学硅”芯片。欧欣团队采用基于“万能离子刀”的异质集成技术，通过氢离子注入结合晶圆键合的方法，制备了高质量硅基钽酸锂单晶薄膜异质晶圆。进一步，合作团队开发了超低损耗钽酸锂光子器件微纳加工方法，使对应器件的光学损耗降低至5.6 dB m-1，这低于其他团队报道的晶圆级铌酸锂波导的最低损耗值。

锂光子芯片展现出与铌酸锂薄膜相当的电光调制效率；同时，基于钽酸锂光子芯片，该研究首次在X切型电光平台中产生了孤子光学频率梳，结合电光可调谐性质，有望在激光雷达和精密测量等方面实现应用。当前，该研究已攻关8英寸晶圆制备技术，为更大规模的国产光电集成芯片和移动终端射频滤波器芯片的发展奠定了材料基础。

钽酸锂异质集成晶圆制备及高性能光子芯片示意图
图片来源：上海微系统与信息技术研究所官网

中国人工智能光芯片“太极”

清华大学电子工程系副教授方璐课题组、自动化系戴琼海院士课题组首创分布式广度光计算架构，研制大规模干涉-衍射异构集成芯片太极（Taichi），实现160 TOPS/W的通用智能计算。

电子系博士生徐智昊表示，在“太极”架构中，自顶向下的编码拆分—解码重构机制，将复杂智能任务化繁为简，拆分为多通道高并行的子任务，构建的分布式“大感受野”浅层光网络对子任务分而治之，突破物理模拟器件多层深度级联的固有计算误差。

据介绍，太极光芯片的计算能效超现有智能芯片2—3个数量级，将可为百亿像素大场景光速智能分析、百亿参数大模型训练推理、毫瓦级低功耗自主智能无人系统提供算力支撑。

首款2Tb/s，三维集成硅光芯粒成功出样

目前，面向下一代单通道200G以上（200G per lane）的光接口速率需求，硅光方案在速率、功耗、集成度等方面面临着巨大挑战。国家信息光电子创新中心（NOEIC）和鹏城实验室的光电融合联合团队完成了2Tb/s硅光互连芯粒（chiplet）的研制和功能验证，在国内首次验证了3D硅基光电芯粒架构，实现了单片最高达8×256Gb/s的单向互连带宽。

该方案充分利用了硅光与CMOS封装工艺兼容的特点，相比于传统wirebond方案，3D芯粒能解决电芯片与光芯片间高密度、高带宽电互连的困难，显著降低射频信号在光-电芯片互连过程中的严重衰减。

经系统传输测试，8个通道在下一代光模块标准的224Gb/s PAM4光信号速率下，TDECQ均在2dB以内。通过进一步链路均衡，最高可支持速率达8×256Gb/s，单片单向互连带宽高达2Tb/s。成果将广泛应用于下一代算力系统和数据中心所需的CPO、NPO、LPO、LRO等各类光模块产品中。

2Tb/s 硅基3D集成光发射芯粒
图片来源：国家信息光电子创新中心（NOEIC）

Part.2
破局第二篇：半导体光刻胶/器件

新型半导体性光刻胶

复旦大学高分子科学系、聚合物分子工程国家重点实验室魏大程团队设计了一种新型半导体性光刻胶，利用光刻技术在全画幅尺寸芯片上集成了2700万个有机晶体管并实现了互连，在聚合物半导体芯片的集成度上实现新突破，集成度达到特大规模集成度水平。

据团队介绍，芯片集成度可以分为小规模集成度(SSI)、中规模集成度(MSI)、大规模集成度(LSI)、超大规模集成度(VLSI)和特大规模集成度(ULSI)，单片集成器件数量分别大于2、26、211、216、221。

据介绍，该光刻胶可通过添加感应受体实现不同的传感功能。为了实现高灵敏光电探测功能，团队在光刻胶材料中负载了具有光伏效应的核壳结构纳米粒子。光照下，纳米光伏粒子产生光生载流子，电子被内核捕获，产生原位光栅调控，大幅提升了器件的响应度。光刻制造的有机晶体管互连阵列包含4500×6000个像素，集成密度达到3.1×106单元每平方厘米，即在全画幅尺寸芯片上集成了2700万个器件,达到特大规模集成度(ULSI)，其光响应度达到6.8×106安培每瓦特，高密度阵列可以转移到柔性衬底上，实现了仿生视网膜应用。

（a）光刻胶组成;(b)光刻胶聚集态结构;(c)在不同衬底上加工的有机晶体管阵列；（d）有机晶体管阵列结构示意图及光学显微镜照片；（e）有机光电晶体管成像芯片（PQD-nanocell OPT）与现有商用CMOS成像芯片以及其他方法制造有机成像芯片的像素密度对比。
图表来源：复旦大学官网

团队负责人魏大程表示，他们正在积极寻求产业界合作，希望能够推动科研成果的应用转化。未来，这种材料一方面能够用于制造高集成度柔性芯片，另一方面由于其光刻兼容性，还有可能实现有机芯片与硅基芯片的功能集成，进一步拓展硅基芯片的应用。

新型光刻胶成膜树脂

化学放大光刻胶是目前集成电路制造应用最广泛的光刻材料。通过构建光酸催化的酸解反应，光刻胶的灵敏度可以实现数量级的提升，弥补了光刻机光源功率下降引发的效率问题。

而碳酸酯和缩醛基团是传统化学放大光刻胶中重要的酸敏结构单元，但由于过低的酸解活化能，此类光刻胶在光刻过程中易发生自显影现象，产生的挥发性物质极易污染光刻机镜头。同时，传统化学放大光刻胶使用四甲基氢氧化铵溶液作为显影液，易造成中毒及环境问题。此外，这类光刻胶体系在放置过程中还极易产生暗反应，影响储存和光刻稳定性。

针对上述挑战和问题，浙江大学伍广朋教授团队利用自主开发的高活性有机硼催化剂，以二氧化碳和带有酸敏环状缩醛结构的环氧化合物为原料，制备了兼具高透明性碳酸酯主链和高酸敏性缩醛侧基的新型光刻胶成膜树脂。

科研团队通过将制备的光刻胶树脂与商用的KrF和ArF光刻胶树脂进行性能对比，结果表明，这类化学放大光刻胶表现出了优异的灵敏度、对比度、分辨率和抗刻蚀性等综合性能。同时，此类光刻胶体系在室温环境下可稳定储存60天以上，为开发高性能的深紫外和极紫外光刻胶提供了一种新思路。

可水显影的二氧化碳基化学放大光刻胶的合成路线、光刻过程和光刻结果
图片来源：国家自然科学基金委员会官网

阵列碳纳米管晶体管

北京大学电子学院、碳基电子学研究中心张志勇教授课题组在碳纳米管晶体管栅界面研究方向取得重要进展：基于优化栅工艺的碳基MOS器件首次实现了低至6.1×1011cm-2eV-1的界面态密度，可与硅基high-k栅界面比拟；通过器件仿真发现，理想的碳基MOS器件可以满足国际半导体器件与系统路线图（IRDS）所设定的栅控和性能目标。

高性能和高能效的阵列碳纳米管晶体管，其开态电流和峰值跨导高达2.34 mA/μm和2.42 mS/μm，且能在0.7 V的工作电压下保持高达5个量级的电流开关比，其栅控效率和开关态综合性能均超过已报道的阵列碳纳米管器件和硅基同尺寸器件。进一步优化栅工艺、降低界面态密度对实现高性能、高能效和高可靠性的碳纳米管晶体管和集成电路至关重要。

亚纳米级晶体管

韩国基础科学研究院 (IBS)成功研制出亚纳米级晶体管，IBS的JO Moon-Ho 所长对该技术的前景表示乐观，认为 1D MTB 晶体管有望成为未来研发各种低功耗高性能电子设备的关键技术。

业界信息显示，半导体器件的集成度取决于栅极电极的宽度和长度。在传统的半导体制造工艺中，由于光刻分辨率的限制，将栅极长度减少到几纳米以下是不可能的。而二维半导体二硫化钼的镜面孪晶边界(MTB)的出现为这一问题提供了解决方案。

二维半导体二硫化钼的MTB是一种宽度仅为0.4纳米的一维金属，研究人员将其用作栅极电极，突破了光刻工艺的限制。根据IEEE此前发布的国际集成电路设备和系统路线图 (IRDS) 预测，到2037年，芯片制程工艺将达到 0.5 纳米左右，晶体管栅极长度为 12 纳米。而韩国研究人员研发的 1D MTB 晶体管栅极长度仅为 3.9 纳米。

与传统鳍式场效应晶体管 (FinFET) 或 GAA 技术相比，这种新型的 1D MTB 晶体管还具有固有的优势。研究人员表示，由于其简单的结构和极窄的栅极宽度，这种晶体管可以最大限度地减少寄生电容，从而带来更高的稳定性。

全新晶体制备方法

北京大学物理学院凝聚态物理与材料物理研究所首创并自主命名为“晶格传质-界面生长”的一种全新晶体制备方法。

据介绍，在制备过程中，原子首先在金属表面，即‘地基’上排布形成‘第一层晶体’；接着，新加入的原子通过埋在‘地基’下方的晶格，传输进入‘地基’与‘第一层晶体’之间的‘缝隙’，然后顶着上方已形成的晶体层进行生长，不断形成新的晶体层。这和自然界中很多植物的生长方式类似，就像‘顶蘑菇’一样。

这种“顶蘑菇”式的生长方式，可保证每层晶体结构的快速生长和均一排布，有效避免缺陷的积累，极大提高了晶体结构可控性。利用这种创新方法，团队已经制备出硫化钼、硒化钼及硫硒化钼合金材料等一系列二维晶体。

北京大学物理学院凝聚态物理与材料物理研究所所长刘开辉表示，未来，科研团队将继续深入研究，挖掘‘晶格传质-界面生长’范式的更多潜力，推动其在新材料制备、新应用领域的广泛应用。

Part.3
破局第三篇：第三代半导体

第三代半导体材料主要以SiC（碳化硅）、GaN（氮化镓）为代表，还包括ZnO氧化锌、GaO氧化镓、金刚石等。与第一代/第二代半导体材料相比，第三代半导体材料具有更宽的禁带宽度、更高的击穿电场、更高的热导率、更大的电子饱和速度以及更高的抗辐射能力，更适合制作高温、高频、抗辐射及大功率器件，是用于新能源汽车、5G基站、光伏储能、数据中心等新兴领域的理想材料。

相较于硅基器件，碳化硅材料制成的功率器件具备耐高压，耐高温，低能耗，小型化的特点，目前已被广泛应用于电动/混动汽车、充电桩/充电站、高铁轨交、光伏逆变器中；氮化镓材料通过外延层结构的不同，可以制成功率、射频、光电器件。现行氮化镓功率组件，分为硅基氮化镓及碳化硅基氮化镓两种晶圆，其中硅基氮化镓在面积与整体成本考虑上，具有比碳化硅组件更划算的可能，更适用于中低压/高频领域。

今年以来，第三代半导体市场正处于一个高速增长的阶段，展望市场规模，据TrendForce集邦咨询研究表示，尽管纯电动汽车（BEV）销量增速的明显放缓已经开始影响到SiC供应链，但作为未来电力电子技术的重要发展方向，SiC在汽车、可再生能源等功率密度和效率极其重要的应用市场中仍然呈现加速渗透之势，未来几年整体市场需求将维持增长态势，预估至2028年，全球SiC功率器件市场规模有望上升至91.7亿美元。

而GaN功率元件市场的发展主要由消费电子所驱动，核心仍在于快速充电器，其他消费电子场景还包括D类音频、无线充电等，TrendForce集邦咨询预计，全球GaN功率元件市场规模将从2022年的1.8亿美金成长到2026年的13.3亿美金，复合增长率高达65%。

技术突破方面，根据上述图表，多项第三代半导体技术突破传来新进展。

MiG超晶格结构

YLC特聘助理教授王佳和名古屋大学先端研究所/未来材料与系统研究所Hiroshi Amano教授领导研究小组通过GaN和金属镁（Mg）之间的简单热反应形成了独特的超晶格结构（Mg插层GaN超晶格，简称MiG），可以提高P型GaN基器件的性能。

这是首次将二维金属插入半导体材料中，研究小组将这种独特的插入机制命名为“间隙插入”。该结构的发现以及2D-Mg掺杂机制的发现，为研究金属-半导体超晶格的能带结构和导电性能提供了新的平台，为半导体掺杂机制和材料科学的基础研究提供了新的平台。该成果已发表在英国科学杂志《自然》上。

6英寸蓝宝石基增强型e-GaNHEMTs晶圆

西安电子科技大学广州研究院第三代半导体创新中心郝跃院士、张进成教授课题组李祥东团队、广东致能科技公司联合攻克了≥1200V超薄GaN缓冲层外延、p-GaN栅HEMTs设计与制造、可靠性加固、高硬度材料封测等整套量产技术，成功开发出阈值电压超过2V、耐压达3000V的6英寸蓝宝石基增强型e-GaNHEMTs晶圆，展示了替代中高压硅IGBT和SiC MOSFET的巨大潜力。

研发成果6英寸增强型e-GaN电力电子芯片以“p-GaN Gate HEMTs on 6-Inch Sapphire by CMOS-Compatible Process: A Promising Game Changer for Power Electronics”为题发表在高水平行业期刊IEEE Electron Device Letters上，并入选封面highlight论文。

8英寸蓝宝石基GaNHEMTs晶圆

西安电子科技大学广州研究院第三代半导体创新中心郝跃院士、张进成教授课题组李祥东团队该研究在国际上首次证明了8英寸蓝宝石基GaNHEMTs晶圆量产的可行性，并打破了传统GaN技术难以同时兼顾大尺寸、高耐压、低成本的国际难题，将有望推动≥1200 V中高压氮化镓电力电子技术实现变革。

研发成果8英寸GaN电力电子芯片以"Report of GaN HEMTs on 8-in Sapphire"为题发表在高水平行业期刊IEEE Transactions on Electron Devices上，并被国际著名半导体行业杂志Semiconductor Today专题报道。

8英寸蓝宝石上制作的GaN HEMT的横截面示意图和工艺流程
图片来源：IEEE官网资料

制作8英寸蓝宝石上GaN芯片图
图片来源：IEEE官网资料

新型ECMP技术

目前在抛光工艺上，成本、环保等方面仍是制约碳化硅衬底广泛应用的瓶颈。传统CMP（化学机械抛光）需要使用大量的抛光液材料，抛光液成本占抛光环节成本比例较大，这不仅增加了生产成本，也对环境造成了负担。

日本立命馆大学（Ritsumeikan University）开发了一种新型ECMP（电化学机械抛光）技术，实现了约15μm/h的材料去除率，使得SiC抛光得到大幅度提升。据了解，在抛光过程中，碳化硅衬底作为阳极，与抛光板（阴极）之间夹着SPE/CeO2复合材料衬垫。当施加偏置电压时，碳化硅表面与SPE发生电解反应，形成一层易于去除的氧化膜，这层氧化膜随后被衬垫中的CeO2颗粒去除。

实验验证表明，ECMP技术提高了碳化硅衬底的抛光效率，通过精确控制电解和机械条件，实现了表面粗糙度的显著降低和表面质量的大幅提升，为碳化硅衬底的绿色制造提供了强有力的技术支持。

硼元素如何作用SiC氧化后退火工序

东京大学、三菱电机研究团队采用硼元素对SiC MOSFET进行氧化后退火，沟道迁移率（μFE）有望超过100 cm2 / V·s，而采用一氧化碳退火方式只有20-40 cm2/V·s，大约可以提升2.5-5倍。通过改变硼浓度，SiC MOSFET的Dit（界面态密度）还有望降低约70%。

经过研究人员测量发现，在不同硼浓度及不同温度条件下，对碳化硅器件的影响：通过改变硼扩散温度（900至1150°C），成功调控了BDL（硼扩散层）中硼的浓度；通过改变硼浓度，BDL900样品的Dit（界面态密度）比NO1150样品低，尤其在导带边缘附近，Dit降低了约70%，显示高硼浓度对浅能级Dit的钝化效果显著。

100mm超厚碳化硅单晶

浙江大学杭州国际科创中心先进半导体研究院-乾晶半导体联合实验室首次生长出厚度达100mm的超厚碳化硅单晶。联合实验室采用提拉式物理气相传输法成功生长出直径为6英寸（即150mm）的碳化硅单晶，其厚度突破了100mm。测试加工而得的衬底片的结果显示，该超厚碳化硅单晶具有单一的4H晶型（图a）、结晶质量良好（图b），电阻率平均值不超过～ 30 mΩ·cm。

图片来源：先进半导体研究院

氮化镓量子光源芯片

当前，业界认为，量子光学领域进一步发展的主要挑战之一，在于如何将较大的桌面尺寸设备转变为更加小型化的微芯片尺寸。而实现设备尺寸缩小的关键是能够在半导体芯片上开发和集成量子光源，这是实现在一块芯片上集成完整光量子电路的核心。

电子科技大学基础与前沿研究院周强教授课题组、清华大学电子工程系孙长征教授课题组联合中国科学院上海微系统与信息技术研究所等机构，通过迭代电子束曝光和干法刻蚀工艺，攻克高质量氮化镓晶体薄膜生长、波导侧壁与表面散射损耗等技术难题，在国际上首次将氮化镓材料运用于量子光源芯片。

与氮化硅等材料相比，氮化镓量子光源芯片在输出波长范围等关键指标上取得突破，输出波长范围从25.6纳米增加到100纳米，并可朝着单片集成发展。电子科技大学基础与前沿研究院教授、天府绛溪实验室量子互联网前沿研究中心主任周强表示，通过为量子互联网的建设提供更多波长资源，可以满足更多用户采用不同波长接入量子互联网络的需求。

新的沟槽外延方法

近日，英国华威大学工程学院一项突破性研究提供了一种新的沟槽外延方法，该研究团队使用过饱和氯化化学方法在1550℃的较低生长温度下，实现了5 微米、宽度为2/4 微米的4H-SiC外延沟槽填充，同时通过将生长温度降低抑制了意外的 H2 退火以及随后的沟槽结构圆化，更好地保持了沟槽的完整性。

该研究表明，选择正确的HCl 流速，以从 4H-SiC 晶体生长改善和熔融外延层表面形貌减小中获益，同时保持沟槽中足够的生长速率，这对于 SJ 结构的形成至关重要。了解 4H-SiC 沟槽通过外延填充的机制对于开发可重复的 SJ 器件结构制造工艺至关重要，这可以克服当前基于 4H-SiC 的功率器件的限制。

Part.4
破局第四篇：第四代半导体

第四代半导体是指氧化镓（Ga2O3）、金刚石（C）、氮化铝（AlN）等超宽禁带半导体材料，以及锑化镓（GaSb）、锑化铟（InSb）等超窄禁带半导体材料。其中氮化铝（AlN）和金刚石仍面临大量科学问题亟待解决，而针对氧化镓，业界指出，氧化镓是继第三代半导体碳化硅和氮化镓之后，最具市场潜力的材料。

氧化镓方面，根据资料，特性上，氧化镓器件的导通特性几乎是于碳化硅的10倍，理论击穿场强是碳化硅的3倍多，并且化学和热稳定性较为良好，并能以比碳化硅和氮化镓更低的成本获得大尺寸、高质量、可掺杂的块状单晶。

分类上，氧化镓共计5种同分异构体，分别为α、β、γ、ε和δ。其中β-Ga2O3（β相氧化镓）最为稳定，当加热至1000℃或水热条件（即湿法）加热至300℃以上时，其他所有亚稳相的异构体都会被转换为β相异构体。而用于氧化镓的外延薄膜沉积技术包括分子束外延技术（MBE）、分子有机气相沉积（MOCVD）、喷雾化学气相沉积（mist-CVD)、卤化物气相外延沉积技术（HVPE）。

根据上述图表，关于第四代半导体氧化镓（β-Ga2O3）外延生长技术问题，近期，厦门大学电子科学与技术学院杨伟锋教授团队在第四代半导体氧化镓（β-Ga2O3）外延生长技术和日盲光电探测器制备方面取得重要进展。

在β-Ga2O3薄膜生长方面，研究团队利用分子束外延技术（MBE）实现了高质量、低缺陷密度的外延薄膜生长，并通过改变反应物前驱体和精密控制生长参数，成功实现了β-Ga2O3外延薄膜的均匀生长和优良的晶体质量，有力地推动了β-Ga2O3薄膜的高质量异质外延的发展。同时，研究团队还通过对MBE外延生长过程中的β-Ga2O3薄膜生长机制进行详细探究，揭示了其成核、生长的差异性，并建立了相对应的外延生长机理模型图。据悉，β-Ga2O3材料因其本征日盲光吸收(254 nm)，简单二元组成，带隙可调，制备工艺简单等优势在日盲光电探测器领域受到广泛关注。

另外，该研究团队在MBE异质外延β-Ga2O3生长机制的基础上，结合半导体光电响应原理，探究了异质外延β-Ga2O3薄膜日盲光电探测器的性能指标。研究团队利用臭氧作为前驱体所制备的金属-半导体-金属结构日盲光电探测器表现出7.5 pA的暗电流、1.31×107的光暗电流比、1.31×1015 Jones的比检测率和 53 A/W的光响应度，表现出相当优异的对日盲紫外光的探测性能。

氧化镓材料MBE异质外延生长机理研究和材料表征分析图
图片来源：电子科学与技术学院官网

金刚石方面，厦门大学电子科学与技术学院于大全、钟毅老师团队与华为、厦门云天团队合作开发了基于反应性纳米金属层的金刚石低温键合技术，克服微凸点保护、晶圆翘曲等行业难题，成功将多晶金刚石衬底集成到2.5D玻璃转接板（Interposer）封装芯片的背面，并采用热测试芯片（TTV）研究其散热特性。

利用金刚石的超高热导率，在芯片热点功率密度为~2 W/mm2时，集成金刚石散热衬底使得芯片最高结温降低高达24.1 ℃，芯片封装热阻降低28.5%。先进封装芯片-金刚石具有极为优越的散热性能，基于金刚石衬底的先进封装集成芯片散热具有重大的应用前景。

这项研究将金刚石低温键合与玻璃转接板技术相结合，首次实现了将多晶金刚石衬底集成到玻璃转接板封装芯片的背面。该技术路线符合电子设备尺寸小型化、重量轻量化的发展趋势，同时与现有散热方案有效兼容，成为当前实现芯片高效散热的重要突破路径，并推动了金刚石散热衬底在先进封装芯片集成的产业化发展。

多晶金刚石衬底集成到玻璃转接板封装芯片背面及其散热性能表征
图片来源：电子科学与技术学院官网

Part.5
破局第五篇：存储器

耐600℃高温存储器

美国宾夕法尼亚大学科学家研制出一款可在600℃高温下持续工作60小时的存储器。该耐受温度是目前商用存储设备的两倍多，表明该存储器具有极强的可靠性和稳定性。

该存储设备由金属—绝缘体—金属结构组成，包括镍和铂电极以及一层45纳米厚的AlScN。这种结构设计使该存储器能与高温碳化硅逻辑器件兼容，与专为极端温度设计的高性能计算系统协同工作。

研究人员表示，这款存储器是一种非易失性设备，能在无电源状态下长期保留存储其上的信息。相较之下，传统硅基闪存在温度超过200℃时便开始失效，导致设备故障和信息丢失。

研究人员指出，新存储器是一种“内存增强型计算”设备，很稳定，能使内存和处理元件更紧密地集成在一起，提高计算的速度、复杂性和效率。他们将继续探索将新设备用于极端环境下运行的AI系统。

最新存储设备示意图
图片来源：《自然·电子学》

铁电存储器可靠性研究进展

基于HfxZr1-xO2材料的铁电存储器（FeRAM）具备高速、良好的可微缩性和CMOS工艺兼容性的特点，业界指出，当前铁电存储器件的可靠性是影响其大规模应用的关键问题之一。在程序代码存储以及人工智能网络（AI）推理等以读操作为主的应用中，铁电电容既不会像在传统耐久性测试中一样被频繁擦写，也不会像在传统保持性测试中一样长时间维持在同一极化状态。因此，器件在这些应用场景下的可靠性失效规律及背后的物理机制值得深入的研究。

针对上述问题，复旦大学芯片与系统前沿技术研究院的刘明院士团队首先提出了一种包含不同脉冲占空比的耐久性（duty cycling）测试方法。研究发现，在电学测试过程中，随着占空比的减小，极化强度（Psw）损失和翻转电压（Vc）偏移程度加剧，最终使得器件更快失效（图1a）。

研究人员在此基础上建立了包含氧空位缺陷动力学和Preisach极化翻转机制的铁电器件三维物理模型，揭示了duty cycling背后由电场及浓度驱动下氧空位重新分布主导的失效机制（图1b）。

最后，该团队针对性地提出了利用超晶格结构以及Hf:Zr比例调控，抑制电学刺激下的氧缺陷生成，成功缓解了上述失效行为，并实现了在128Kb铪基FeRAM芯片上的验证，推动了铪基铁电存储技术的更广泛应用。

Duty cycling失效电学行为及氧缺陷迁移主导的物理机制
图片来源：复旦大学芯片与系统前沿技术研究院官网

封面图片来源：拍信网