2020年度中国半导体十大研究进展

围 绕新材料、新结构、新集 成与新机理的半导体基础研究推动了半导体科技的发展，深刻改变着人类的生活形态。近年来，我国在半 导体科技领域取得了举世瞩目的成就，智能处理芯片、碳基芯片、光通信芯片、新型场效应管等关键核心技术取得突破性进展，有力支撑了我国新一代信息技术的发展。

《半导体学报》于2020年1月 启动首届 “中国半导体年度十大研究进展”的推荐和评选工作，旨在记录我国半导体科学与技术研究领域的标志性成果。经过专家推荐与自荐，经初评后共有38项优秀研究成果进入候选名单；2020年12月–2021年1月，由43名半导体领域专家组成的评选委员会，历经两轮严格评选，按照投票排名最终选出10项优秀成果，荣膺“2020年度中国半导体十大研究进展”；与此同时，为投票排名11–20名的成果颁发“2020年度中国半导体十大研究进展提名奖”，为投票排名21–38名的成果颁发“2020年度中国半导体十大研究进展入围奖”。

热烈祝贺最终优胜成果与作者，感谢专家评委们的大力支持，感谢国内外专家学者的大力支持与关注，《半导体学报》将继续为建设国际一流水平的半导体领域旗帜性期刊而奋斗！

获奖名单

01

清华大学钱鹤、吴华强研究团队在国际上首次实现了基于多个忆阻器阵列的存算一体系统，通过引入新型忆阻器件结构和混合训练方法，解决了处理多层卷积神经网络时的误差累积问题，并使硬件系统整体能效比GPU高两个数量级，大幅提升了计算设备的算力，证明了存算一体技术在人工智能等领域应用的可行性及广阔前景。

该成果发表于《自然》杂志（Nature, 2020, 577: 641–646）。

多忆阻器阵列芯片硬件系统。

02

人眼结构精致，功能强大，其球形结构使仿生人眼加工相当困难。香港科技大学范智勇教授团队创造性地以曲面纳米模板集成光敏纳米线为半球形状仿生视网膜，并开发系统集成策略，得到与人眼结构相似的仿生眼，有望实现超广角、超高分辨成像，促进视觉假体以及类人机器人的发展。

该成果发表于《自然》杂志（Nature, 2020, 581: 278–282）。

半球状纳米线视网膜电化学仿生眼的结构及表征。

03

北京大学张志勇-彭练矛团队发展了高密度高纯半导体碳纳米管阵列薄膜晶圆制备技术，首次突破了超大规模碳管集成电路发展的材料瓶颈。基于该材料，首次展示了性能超过相同尺寸的硅基CMOS电路的碳纳米管集成电路。

该成果发表于《科学》杂志（Science, 2020, 368(6493): 850–856）。

碳管高速集成电路。

04

通讯波段的高性能钠基等离激元纳米激光器

南京大学朱嘉、周林团队联合北京大学马仁敏等合作者，利用液态金属可控冷却旋涂技术，结合金属-绝缘体-半导体间隙等离激元优化设计，首次制备了高品质因子金属钠-InGaAsP量子阱复合微结构，实现了通讯波段纳米激光的室温激射，其激射阈值（140 KW/cm2）创同类激光器新低。

该成果发表于《自然》杂志（Nature, 2020, 581: 401–405）。

钠基等离激元结构制备工艺(a)、品质因数(b)，以及钠基等离激元纳米激光器场分布(c)与室温激射阈值特性(d)。

05

米级高指数晶面单晶铜箔库制造

北京大学-松山湖材料实验室-南方科技大学刘开辉、王恩哥、俞大鹏合作团队提出界面能驱动单晶金属“变异和遗传”的退火生长机制，在国际上首次实现种类最全（30余种）、尺寸最大（A4纸尺寸）的高指数晶面单晶铜箔库制造。该铜箔库为高功率电力、高频电子、选择性催化、量子材料外延等提供了关键功能材料。

该成果发表于《自然》杂志（Nature, 2020, 581: 406–410）。

单晶铜箔库中不同晶面指数铜箔的原子结构示意图。

06

大面积范德瓦尔斯异质结阵列的通用合成

湖南大学段曦东教授与加州大学洛杉矶分校段镶锋教授合作利用激光烧蚀制造缺陷阵列诱导合成了大规模金属/半导体垂直范德华异质结阵列。利用这种范德华接触制备的双层硒化钨晶体管开态电流高达900 μA/μm。本成果为二维半导体集成电路提供了一个新的技术途径。

该成果发表于《自然》杂志（Nature, 2020, 579: 368–374）。

07

面向超大容量光互连需求，北京大学彭超副教授团队与合作者从拓扑视角出发，在光子晶体中构造了单向辐射导模共振态，实现了不依靠反射镜的光定向辐射。该技术有望显著降低片上光端口的插损，为高密度光子集成及光子芯片开拓新方向。

该成果发表于《自然》杂志（Nature, 2020, 580: 467–471）。

a，动量空间中上下表面远场辐射的傅里叶散射图像。b，傅里叶图像上不同kx点处随波长变化的散射谱。c,d, 随kx变化的能带以及下表面单面品质因子。在UGR态附近，下表面单面品质因子高达1.6e5。

08

单原子层沟道的鳍式场效应晶体管

金属研究所、山西大学、湖南大学等多家研究机构合作，成功将鳍式场效应晶体管垂直沟道宽度缩小至物理极限，利用多种单原子层过渡族硫化物半导体展示了0.6纳米鳍片宽度原型器件，为后摩尔时代电子器件探索提供了参考。

该成果发表于《自然通讯》杂志（Nat Commun, 2020, 11: 1205）。

左：MOFET场效应晶体管的几种构型；右：单原子层极限沟道FinFET。

09

大面积全钙钛矿叠层太阳电池世界纪录效率

南京大学谭海仁课题组通过在窄带隙钙钛矿前驱体溶液中添加两性离子还原剂，实现了大面积高质量钙钛矿薄膜的制备，创造了大面积全钙钛矿叠层电池世界纪录认证效率24.2%，使我国叠层太阳电池成果首次被太阳电池效率表《Solar cell efficiency tables》收录，为提升电池效率和降低发电成本提供了新思路。

该成果发表于《自然能源》杂志（Nat Energy, 2020, 5: 870–880）。

大面积全钙钛矿叠层太阳电池的光伏性能。（a，b）全钙钛矿叠层太阳电池的器件结构图和横截面扫描电子显微镜图像；（c）最高性能叠层太阳电池的J-V曲线；（d）叠层电池的EQE曲线；（e）大面积叠层太阳电池的效率统计；（f-h）小面积叠层电池的J-V和EQE曲线；（i）12 cm2面积叠层电池的J-V曲线。

10

具有数字辅助分布驱动器和集成CDR的50Gb/s PAM4硅光子发射机

中国科学院半导体所祁楠团队，联合国家信息光电子创新中心，提出一种光电融合的多幅值电光调制技术，通过协同设计分布式CMOS驱动电路和双段式硅光调制器，实现一款单波50 Gbps的光电集成发射机芯片，输出光眼图抖动小于1.4 ps。

该成果发表于《IEEE 固态电路》杂志（IEEE Journal of Solid-State Circuits, 2020, 55(5): 1282–1296）。

芯片照片及实测50Gb/s PAM4光眼图。

提名奖名单

（点击成果名称即可查看详情；排名不分先后）

1.

成果论文：Efficient and stable Ruddlesden–Popper perovskite solar cell with tailored interlayer molecular interaction. Nat Photonics, 2020, 14: 154–163.

论文作者：Hui Ren+, Shidong Yu+, Lingfeng Chao+, Yingdong Xia, Yuanhui Sun, Shouwei Zuo, Fan Li, Tingting Niu, Yingguo Yang, Huanxin Ju, Bixin Li, Haiyan Du, Xingyu Gao, Jing Zhang, Jianpu Wang, Lijun Zhang✉, Yonghua Chen✉, and Wei Huang✉.

成果论文：First demonstration of waferscale heterogeneous integration of Ga2O3 MOSFETs on SiC and Si substrates by ion-cutting process. IEEE International Electron Devices Meeting (IEDM), San Francisco, CA, USA, 2019: 12.5.1–12.5.4.

论文作者：Wenhui Xu+, Yibo Wang+, Tiangui You+, Xin Ou✉, Genquan Han✉, Haodong Hu, Shibin Zhang, Fengwen Mu, Tadatomo Suga, Yuhao Zhang, Yue Hao & Xi Wang.

成果论文：An integrated flexible all‐nanowire infrared sensing system with record photosensitivity. Adv Mater, 2020, 32: 1908419.

论文作者：Wenhao Ran+, Lili Wang, Shufang Zhao, Depeng Wang, Ruiyang Yin, Zheng Lou✉ and Guozhen Shen✉.

成果论文：18% efficiency organic solar cells. Sci Bull, 2020, 65: 272–275.

论文作者：Qishi Liu+, Yufan Jiang+, Ke Jin+, Jianqiang Qin, Jingui Xu, Wenting Li, Ji Xiong, Jinfeng Liu, Zuo Xiao✉, Kuan Sun, Shangfeng Yang✉, Xiaotao Zhang✉ & Liming Ding✉.

成果论文：Silicon nanomembrane phototransistor flipped with multifunc tional sensors toward smart digital dust. Sci Adv, 2020, 6(18): eaaz6511.

论文作者：Gongjin Li+, Zhe Ma+, Chunyu You+, Gaoshan Huang, Enming Song, Ruobing Pan, Hong Zhu, Jiaqi Xin, Borui Xu, Taeyoon Lee, Zhenghua An, Zengfeng Di & Yongfeng Mei✉.

成果论文：Single-photon emission from isolated monolayer islands of InGaN. Light Sci Appl, 2020, 9: 159.

论文作者：Xiaoxiao Sun+, Ping Wang, Tao Wang, Ling Chen, Zhaoying Chen, Kang Gao, Tomoyuki Aoki, Mo Li, Jian Zhang, Tobias Schulz, Martin Albrecht, Weikun Ge, Yasuhiko Arakawa, Bo Shen, Mark Holmes✉ & Xinqiang Wang✉.

成果论文：Efficient emission of InGaN-based light-emitting diodes: toward orange and red. Photon Res, 2020, 8: 1671–1675.

论文作者：Shengnan Zhang+, Jianli Zhang✉, Jiangdong Gao, Xiaolan Wang, Changda Zheng, Meng Zhang, Xiaoming Wu, Longquan Xu, Jie Ding, Zhijue Quan and Fengyi Jiang.

8.

成果论文：A 5.8-GHz high-power and high-efficiency rectifier circuit with lateral GaN Schottky diode for wireless power transfer. IEEE Trans Power Electron, 2020, 35(3): 2247–2252.

论文作者：Kui Dang+, Jincheng Zhang✉, Hong Zhou✉, Sen Huang, Tao Zhang, Zhaoke Bian, Yachao Zhang, Xinhua Wang, Shenglei Zhao, Ke Wei & Yue Hao.

成果论文：High Curie temperature ferromagnetism and high hole mobility in tensile strained Mn‐doped SiGe thin films. Adv Funct Mater, 2020, 30: 2002513.

论文作者：Huanming Wang+, Sen Sun, Jiating Lu, Jiayin Xu, Xiaowei Lv, Yong Peng, Xi Zhang, Yuan Wang & Gang Xiang✉.

成果论文：Epitaxial nucleation and lateral growth of high-crystalline black phosphorus films on silicon. Nat Commun, 2020, 11: 1330.

论文作者：Yijun Xu+, Xinyao Shi+, Yushuang Zhang+,Hongtao Zhang, Qinglin Zhang, Zengli Huang, Xiangfan Xu, Jie Guo, Han Zhang✉, Litao Sun, Zhongming Zeng, Anlian Pan✉ & Kai Zhang✉.

入围奖名单

（点击成果名称即可查看详情；排名不分先后）

成果论文：Excitonic complexes and optical gain in two-dimensional molybdenum ditelluride well below the Mott transition. Light Sci Appl, 2020, 9: 39.

论文作者：Zhen Wang+, Hao Sun+, Qiyao Zhang, Jiabin Feng, Jianxing Zhang, Yongzhuo Li & Cun-Zheng Ning✉.

成果论文：Coherent phonon dynamics in spatially separated graphene mechanical resonators. Proc Natl Acad Sci, 2020, 117: 5582–5587.

论文作者：Zhuo-Zhi Zhang+, Xiang-Xiang Song+, Gang Luo+, Zi-Jia Su, Kai-Long Wang, Gang Cao, Hai-Ou Li, Ming Xiao, Guang-Can Guo, Lin Tian✉, Guang-Wei Deng✉ and Guo-Ping Guo✉.

成果论文：A discrete-time audio ΔΣ modulator using dynamic amplifier with speed enhancement and flicker noise reduction techniques. IEEE J Solid-State Circuits, 2020, 55: 333–343.

论文作者：Song Ma+, Liyuan Liu✉, Tong Fang, Jian Liu & Nanjian Wu.

成果论文：A 2.92-Gb/s/W and 0.43-Gb/s/MG flexible and scalable CGRA-based baseband processor for massive MIMO detection. IEEE J Solid-State Circuits, 2020, 55: 505–519.

论文作者：Guiqiang Peng+, Leibo Liu✉, Sheng Zhou, Shouyi Yin & Shaojun Wei.

成果论文：A 6.78-MHz single-stage wireless charger with constant-current constant-v oltage charging technique. IEEE J Solid-State Circuits, 2020, 55: 999–1010.

论文作者：Lin Cheng+✉, Xinyuan Ge, Wai Chiu Ng, Wing-Hung Ki, Jiawei Zheng, Tsz Fai Kwok, Chi-Ying Tsui & Ming Liu.

成果论文：Toward a generalized Bienenstock-Cooper-Munro rule for spatiotemporal learning via triplet-STDP in memristive devices. Nat Commun, 2020, 11: 1510.

论文作者：Zhongqiang Wang+, Tao Zeng+, Yanyun Ren, Ya Lin, Haiyang Xu✉, Xiaoning Zhao, Yichun Liu✉ & Daniele Ielmini✉.

成果论文：A 100-MHz BW 72.6-dB-SNDR CT ΔΣ modulator utilizing preliminary sampling and quantization. IEEE J Solid-State Circuits, 2020, 55: 1588–1598.

论文作者：Wei Wang+, Chi-Hang Chan✉, Yan Zhu, & Rui P. Martins

成果论文：Role of the exciton–polariton in a continuous-wave optically pumped CsPbBr3 perovskite laser. Nano Lett, 2020, 20(9): 6636–6643.

论文作者：Qiuyu Shang+, Meili Li, Liyun Zhao, Dingwei Chen, Shuai Zhang, Shulin Chen, Peng Gao, Chao Shen, Jun Xing, Guichuan Xing, Bo Shen, Xinfeng Liu and Qing Zhang✉.

9.

成果论文：An 8-bit 10-GS/s 16× interpolation-based time-domain AD C with<1.5-ps uncalibrated quantization steps. IEEE J Solid-State Circuits, 2020, 55: 3225–3235.

论文作者：Minglei Zhang+✉, Yan Zhu, Chi-Hang Chan, and Rui P. Martins

成果论文：A 14-bit 4-MS/s VCO-based SAR ADC with deep metastability facilitated mismatch calibration. IEEE J Solid-State Circuits, 2020, 55: 1565–1576.

论文作者：Zheng Zhu+, Xiong Zhou, Yuheng Du, Yao Feng & Qiang Li✉.

成果论文：Hydrothermal deposition of antimony selenosulfide thin films enables solar cells with 10% efficiency. Nat Energy, 2020, 5: 587–595.

论文作者：Rongfeng Tang+, Xiaomin Wang+, Weitao Lian+, Jialiang Huang, Qi Wei, Menglin Huang, Yiwei Yin, Chenhui Jiang, Shangfeng Yang, Guichuan Xing, Shiyou Chen, Changfei Zhu✉, Xiaojing Hao✉, Martin A. Green and Tao Chen✉.

成果论文：Two-dimensional halide perovskite as β-ray scintillator for nuclear radiation monitoring. Nat Commun, 2020, 11: 3395.

论文作者：Dejian Yu+, Peng Wang+, Fei Cao+, Yu Gu, Jiaxin Liu, Zeyao Han, Bo Huang, Yousheng Zou, Xiaobao Xu✉ & Haibo Zeng✉.

成果论文：Demonstration of N-polar III-nitride tunnel junction LED. ACS Photonics, 2020, 7(7): 1723–1728.

论文作者：Yuantao Zhang+✉, Gaoqiang Deng, Ye Yu, Yang Wang, Degang Zhao, Zhifeng Shi, Baolin Zhang & Xiaohang Li✉.

成果论文：A 1.86-kV double-layered NiO/β-Ga2O3 vertical p–n heterojunction diode. Appl Phys Lett, 2020, 117: 022104.

论文作者：H. H. Gong+, X. H. Chen, Y. Xu, F.-F. Ren, S. L. G, & J. D. Ye✉.

成果论文：A 50–112-Gb/s PAM-4 transmitter with a fractional-spaced FFE in 65-nm CMOS. IEEE J Solid-State Circuits, 2020, 55: 1864–1876.

论文作者：Xuqiang Zheng+✉, Hao Ding, Feng Zhao, Danyu Wu, Lei Zhou, Jin Wu, Fangxu Lv, Jianye Wang & Xinyu Liu✉.

成果论文：Ultrafast photodetector by integrating perovskite directly on silicon wafer.ACS Nano, 2020, 14: 2860–2868.

论文作者：Xiangshun Geng+, Fangwei Wang+, He Tian+✉, Qixin Feng, Hainan Zhang, Renrong Liang✉, Yang Shen, Zhenyi Ju, Guang-Yang Gou, Ningqin Deng, Yu-tao Li, Jun Ren, Dan Xie, Yi Yang✉ & Tian-Ling Ren✉.

成果论文：Anisotropic ultrasensitive PdTe2-based phototransistor for room-temperature long-wavelength detection. Sci Adv, 2020, 6: eabb6500.

论文作者：Cheng Guo+, Yibin Hu, Gang Chen, Dacheng Wei, Libo Zhang, Zhiqingzi Chen, Wanlong Guo, Huang Xu, Chia-Nung Kuo, Chin Shan Lue, Xiangyan Bo, Xiangang Wan, Lin Wang✉, Antonio Politano✉, Xiaoshuang Chen✉ & Wei Lu.

成果论文：Heterojunction perovskite solar cells: opto-electro-thermal physics, modeling, and experiment. ACS Nano, 2020, 14: 5017–5026.

论文作者：Yidan An+, Changlei Wang+, Guoyang Cao & Xiaofeng Li✉.

在评选活动开始之后，我们不断被一种感觉触动：在举国关注与专业研究之间，我们必须做点什么，让公众理解科学，接受科学，参与科学，于是，2020年6月，有了“半语-益言”系列直播讲座，希望通过系列讲座普及半导体科学基础知识和前沿发展动态（即“半语”），让更多人了解半导体的内涵与外延并从中获得有用的知识（即“益言”），共同推动我国半导体科技与产业的发展。

在评选活动历经一年进入终评之际，我们感动于中国半导体研究队伍的群星闪耀风华正茂，于是，2020年12月，有了“半语-风华”专栏，旨在宣传和激励我国半导体领域的青年科学家，“恰同学少年，风华正茂；书生意气，挥斥方遒。”（毛泽东《沁园春·长沙》），期望我们的半导体青年科学家们能够在风采动人和才华横溢的年纪，朝气蓬勃，奋发有为，创造出彪炳史册的半导体科技成果。