我国科学家实现全球首颗二维-硅基混合架构芯片，产业落地还有多久

继今年4月在《自然》提出“破晓”二维闪存原型器件后，复旦大学科研团队又迎来新突破。

北京时间10月8日晚，复旦大学在《自然》（Nature）上发文，题目为《全功能二维-硅基混合架构闪存芯片》（“A full-featured 2D flash chip enabled by system integration”），相关成果率先实现全球首颗二维-硅基混合架构芯片，攻克新型二维信息器件工程化关键难题。

面对摩尔定律逼近物理极限的全球性挑战，具有原子级厚度的二维半导体是目前国际公认的破局关键，科学家们一直在探索如何将二维半导体材料应用于集成电路中。

当前，国际上对二维半导体的研究仍在起步阶段，尚未实现大规模应用。

该系列研究已在此前多个时间点在全球有所突破，从2018年开始，团队在《自然·纳米》、《自然·电子学》上多次发表二维闪存器件速度突破的进展，在此基础上，上述2025年4月提出的“破晓”二维闪存原型器件，实现了400皮秒超高速非易失存储，是迄今最快的半导体电荷存储技术。在意识到二维闪存器件颠覆性速度突破的价值后，团队在2021年开始同步推进二维超快闪存集成验证。

从实验室到工厂

该文通讯作者。复旦大学集成电路与微纳电子创新学院、集成芯片与系统全国重点实验室研究员刘春森告诉第一财经，AI时代对数据存储要求极高，既要有一个很高容量的数据访问，同时又需要访问速度非常快，从这个角度看，现有的半导体电荷存储器都不满足需求。

“今年4月份提出的破晓闪存，从底层重新构建了新的二维存储方程，并在实验上证实了惊人的速度突破。这次报道的新工作是要破解新型二维信息器件工程化关键难题，将二维闪存推向产业化。”他解释，之前的研究是从原型器件和理论上证明了可行性，下一步要解决产业化挑战。

不过，颠覆性器件要真正走向系统级应用，往往是一场漫长的马拉松。半导体晶体管自1947年诞生起，历经贝尔实验室、仙童与英特尔等顶尖力量二十余年的接力研发，才终于催生出全球第一颗CPU。如何将二维闪存产业化，研究团队从未来应用的终点出发，倒推技术发展的正确路径，想到了和CMOS结合——通过将新一代颠覆性器件直接融入成熟的硅基CMOS工艺平台，这一原本需要数十年的积累过程，或许将被大幅压缩。

作为集成电路的前沿领域，二维电子学在近年来获得诸多关注，但研究者们最关心的问题莫过于“LAB to FAB（从实验室到工厂）”难题，也就是这项技术未来是否可以得到真正的应用。如何加速产业化进程，让二维电子器件走向功能芯片？复旦大学周鹏-刘春森团队主动融入产业链，尝试从未来应用的终点出发，“从10到0”倒推最具可能性的技术发展路径。

“从目前技术来看，存储器是二维电子器件最有可能首个产业化的器件类型。因为它对材料质量和工艺制造没有提出更高要求，而且能够达到的性能指标远超现在的产业化技术，可能会产生一些颠覆性的应用场景。”在存储器领域深耕多年、同为通讯作者的复旦大学教授周鹏认为。

创新集成工艺

当前，CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor，互补金属氧化半导体）技术是集成电路制造的主流工艺，市场中的大部分集成电路芯片均使用CMOS技术制造，产业链较为成熟。团队认为，如果要加快新技术孵化，就要将二维超快闪存器件充分融入CMOS传统半导体产线，而这也能为CMOS技术带来全新突破。

二维半导体厚度仅有1–3个原子，如同“薄翼”般纤薄而脆弱，这一独特属性让其大规模集成充满挑战。团队研发“原子芯片(Atomic Device to Chip, ATOM2CHIP)”系统集成框架，让原子级器件真正走向功能芯片。

团队提出了片上二维全栈集成工艺，通过模块化集成方案，将二维存储电路与成熟CMOS电路分离制造，最后与CMOS控制电路通过高密度单片互连技术(微米尺度通孔)实现完整芯片集成。这一成果是二维应用工程化的里程碑，为新一代颠覆性器件缩短应用化周期提供范例，推动信息技术进入全新的高速时代。

“从第一个原型晶体管到第一款 CPU花了大约24年，而我们通过把先进技术融入工业界现有的CMOS产线，这一原本需要数十年的积累过程被大幅压缩，未来可以进一步加速探索颠覆性应用。”刘春森总结。

衔接起实验室成果与产业化需求，确保理论创新与应用转化能够“双腿并行”，是周鹏-刘春森团队在研究中相互交织的两条主线。依托前期完成的研究成果与集成工作，此次打造出的芯片已成功流片。

他们下一步计划建立实验基地，与相关机构合作，建立自主主导的工程化项目。对于产业化的时间，研究团队认为接下来3~5年的时间，主要靠实验室团队和产业界对接，把芯片的容量做到百万（Mb）级别，刘春森解释，一旦把容量做到百万级别，后续他们就可以交给产业界来做，以便利用大规模的产线去实现第一批可以商业化的产品。

该研究工作得到了科技部、教育部、国家自然科学基金委、上海市科委等项目和科学探索奖的资助，以及教育部创新平台的支持。复旦大学集成电路与微纳电子创新学院、集成芯片与系统全国重点实验室研究员刘春森和教授周鹏为论文通讯作者，刘春森研究员和博士生江勇波、沈伯佥、袁晟超、曹振远为论文第一作者。