近日

二維半導(dǎo)體芯片取得里程碑式突破！

復(fù)旦大學(xué)集成芯片與系統(tǒng)全國重點實驗室

周鵬、包文中聯(lián)合團(tuán)隊

利用臺式無掩膜直寫光刻系統(tǒng)- MicroWriter ML3

成功研制quanqiushou款^[1]

基于二維半導(dǎo)體材料的

32位RISC-V架構(gòu)微處理器

“無極（WUJI）”

【引言】

近年來，傳統(tǒng)半導(dǎo)體的發(fā)展愈發(fā)受制于固有物理極限，漏極誘導(dǎo)勢壘降低、界面散射導(dǎo)致的遷移率退化、半導(dǎo)體帶寬限制的電流開關(guān)比等問題逐漸凸顯。在此背景下，原子層厚度的二維（2D）半導(dǎo)體憑借特殊的電子特性，成為突破后硅時代技術(shù)瓶頸的核心方向。

經(jīng)過十余年的技術(shù)攻堅，復(fù)旦大學(xué)集成芯片與系統(tǒng)全國重點實驗室周鵬、包文中聯(lián)合團(tuán)隊成功研制quanqiushou款基于二維半導(dǎo)體材料的32位RISC-V架構(gòu)微處理器“無極（WUJI）”。這款微處理器可在 5900 個二硫化鉬（MoS?）晶體管上執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn) 32 位指令，并構(gòu)建了包含 25 種邏輯單元的完整標(biāo)準(zhǔn)單元庫。團(tuán)隊創(chuàng)新性地將制造工藝與電路設(shè)計深度融合，材料晶圓級集成的系列難題，成功實現(xiàn)了 MoS?微處理器的先驅(qū)原型，彰顯了超越硅基的二維集成電路技術(shù)的潛力。該成果以“A RISC-V 32-bit microprocessor based on two-dimensional semiconductors”為題發(fā)表在《Nature》上。

值得關(guān)注的是，RV32-WUJI 的前端工藝中，所有器件特征結(jié)構(gòu)均通過波長為 405 nm 的小型臺式無掩模激光直寫系統(tǒng)MicroWriter ML3完成光刻加工。該工作在4英寸的晶圓上有24個6X6 mm的WUJI芯片，設(shè)備加工速度可高達(dá)180mm2/min，支持多基片自動順序加工，確保了特征結(jié)構(gòu)的加工效率；同時，該系統(tǒng)無需掩膜版，可實現(xiàn)0.4 μm的超高線寬精度，還可靈活選用405 nm、365 nm和385 nm單一或組合光源，能夠靈活滿足科研中多樣化的光刻需求。此外，其70 cm X 70 cm X 70 cm的緊湊結(jié)構(gòu)采用集成化設(shè)計，全自動控制，不僅可靠性高，操作也極為簡便。憑借這些優(yōu)勢，MicroWriter ML3為本研究晶體管和相關(guān)器件的成功制備提供了關(guān)鍵技術(shù)支持。

小型臺式無掩膜直寫光刻系統(tǒng)- MicroWriter ML3

【精彩圖文展示】

RV32-WUJI 無極微處理器

a，底部為在 4 英寸藍(lán)寶石晶圓上制備的 24 個 WUJI 芯片；頂部為放大的光學(xué)顯微鏡圖像，顯示單個芯片裸片，面積為 6 mm×6 mm，包含 5900 個二硫化鉬（MoS?）晶體管，輸入輸出焊盤分布在周邊；

b，RV32-WUJI 芯片裸片的物理布局示意圖，各層按比例繪制，底層為在藍(lán)寶石晶圓上合成的 MoS?；

c，OAI21、AOI22 和 1 位寄存器邏輯門單元的掃描電子顯微鏡（SEM）圖像（柵電極因柵金屬不同而偽著色），以及對應(yīng)的電路原理圖和實驗測量波形；

d，晶體管溝道區(qū)域的 SEM 圖像（上）和放大的高分辨率透射電子顯微鏡圖像（下），顯示 MoS?的原子結(jié)構(gòu)。

場效應(yīng)晶體管（FET）與反相器

反相器作為數(shù)字電路的基礎(chǔ)單元，其良率直接反映了芯片整體質(zhì)量。與硅晶圓的直拉法生長不同，二維材料需通過化學(xué)氣相沉積（CVD）制備，易產(chǎn)生缺陷與不均勻性。為確定 WUJI 芯片 6 mm ×6 mm區(qū)域內(nèi)反相器的良率，作者制備了一個 30×30 的反相器陣列（共900 個單元）。所有反相器的傳輸特性曲線如圖 f 所示。結(jié)果顯示，898 個反相器可正常工作，良率達(dá) 99.77%，整體噪聲容限為 0.5 V。正常工作的反相器其開關(guān)電壓分布在 1.4 - 2.5 V 范圍內(nèi)，平均增益超過 550。這一成果不僅驗證了二維材料器件的可靠性，更為先進(jìn)數(shù)字邏輯電路的實現(xiàn)提供了堅實基礎(chǔ)。

a，不同柵極金屬的晶體管示意圖；

b，構(gòu)成反相器的負(fù)載晶體管和驅(qū)動晶體管的轉(zhuǎn)移特性曲線，負(fù)載晶體管和驅(qū)動晶體管的數(shù)量各為 50 個；

c-e，50 個晶體管的閾值電壓（VTH）（c）、亞閾值擺幅（d）和開關(guān)比（Ion/Ioff）（e）的統(tǒng)計分布；

f，900 個反相器的靜態(tài)電壓傳輸特性及噪聲容限；

g，由典型反相器在不同電壓下的傳輸曲線計算得到的增益；

h，增益值的統(tǒng)計分布，展示了 50 個反相器的增益情況。SS 表示亞閾值擺幅，VTG 表示頂柵電壓。

核心模塊

團(tuán)隊借助電子設(shè)計自動化工具，構(gòu)建了RV32-WUJI 的四大核心功能模塊，涵蓋數(shù)據(jù)運算、數(shù)據(jù)選擇、狀態(tài)計數(shù)和數(shù)據(jù)存儲。各模塊最終將組成一個功能完整的微處理器。

下圖展示了與這些功能對應(yīng)的四種典型電路：受控全加法器、多路復(fù)用器、計數(shù)器和 32 位寄存器。每個子圖均呈現(xiàn)了相應(yīng)的電路結(jié)構(gòu)、功能示意圖以及實驗測量的輸出波形。

a–d，受控全加法器（a）、4 輸入多路復(fù)用器（b）、4 位環(huán)形計數(shù)器和 3 位同步串行計數(shù)器（c）以及 32 位寄存器（d）的電路結(jié)構(gòu)（左上）、基本邏輯功能（右上）和典型實驗測量邏輯輸出（下圖）。d 的底部是存儲四個 8 位 ASCII 碼‘F’、‘D’、‘M’和‘E’的實驗演示。MUX 為多路復(fù)用器；Sub. 為減法；SN 為 n 位選擇信號。

【結(jié)論】

本研究證實二維半導(dǎo)體材料可用于構(gòu)建大規(guī)模功能電路，所制備的5900 個MoS?晶體管組成的 RISC-V 微處理器，是目前基于二維半導(dǎo)體的最復(fù)雜功能電路，標(biāo)志著二維集成電路技術(shù)進(jìn)入實用化探索階段。

【其他Nature文章參考】

小型臺式無掩模激光直寫系統(tǒng)MicroWriter ML3的超卓性能已在多項國際前沿研究中得到驗證：

斯坦福大學(xué)Jelena Vuckovic老師團(tuán)隊利用MicroWriter ML3成功開發(fā)了一種新型的單晶鈦：藍(lán)寶石-絕緣體的光學(xué)器件，與傳統(tǒng)的鈦：藍(lán)寶石激光器相比，新研發(fā)的鈦：藍(lán)寶石激光器在體積上縮小了10000倍，成本降低了1000倍。在生產(chǎn)規(guī)模、制備效率和成本方面取得了突破性進(jìn)展，有望推動其從大型實驗室設(shè)備向便攜式工具轉(zhuǎn)型。該成果以《Titanium: sapphire-on-insulator integrated lasers and amplifiers》為題發(fā)表于《Nature》期^刊[2]。

斯坦福大學(xué)鮑哲南老師團(tuán)隊利用MicroWriter ML3制備出了大規(guī)模集成的本征可拉伸晶體管和相關(guān)器件，集成規(guī)模達(dá)每平方厘米100,000個，在100%應(yīng)變條件下平均場效應(yīng)遷移率超過20 cm2/Vs，5 V電壓下驅(qū)動電流達(dá)2 μA/μm，實現(xiàn)具有1000多個晶體管的大規(guī)模集成電路。其高吞吐量能力，高刷新頻率的盲文識別系統(tǒng)，以及LED顯示設(shè)備，展示了本征可拉伸晶體管的多功能性和實用性，為實現(xiàn)高度靈活、高性能的可拉伸電子設(shè)備提供了重要的技術(shù)基礎(chǔ)。該成果以《High-speed and large-scale intrinsically stretchable integrated circuits》為題發(fā)表于《Nature》期刊^[3]。

斯坦福大學(xué)Steven G. Louie老師團(tuán)隊利用MicroWriter ML3的高精度加工與虛擬掩膜版功能，在 WSe?/WS?異質(zhì)結(jié)上精準(zhǔn)定義源漏電極，實現(xiàn)無需轉(zhuǎn)移步驟的頂柵晶體管制備，結(jié)合第一性原理計算發(fā)現(xiàn)層內(nèi)電荷轉(zhuǎn)移激子（峰III），其電子-空穴空間分離約5nm，突破了傳統(tǒng)連續(xù)介質(zhì)模型的預(yù)測。該成果以《Intralayer charge-transfer moiré excitons in van der Waals superlattices》為題發(fā)表于《Nature》期刊^[4]。

斯坦福大學(xué)崔屹老師團(tuán)隊依托MicroWriter ML3的高效加工等能力，實現(xiàn)鋰電池中孤立鋰（i-Li）遷移的實時觀測，揭示 i-Li 動態(tài)響應(yīng)機制，修正了鋰電池失效模型的認(rèn)知基礎(chǔ)，為延長鋰金屬電池壽命提供新方案。該成果以《Dynamic spatial progression of isolated lithium during battery operations》為題發(fā)表于《Nature》期刊^[5]。

【總結(jié)】

MicroWriter 以其緊湊設(shè)計，融合多種加工分辨率與多種光源選擇的強大配置，輔以直觀友好的人機交互，更以高效加工能力與靈活開放的技術(shù)為核心競爭力，已然成為guojigongren的主流微納加工利器，持續(xù)為前沿科研等領(lǐng)域賦能！

參考文獻(xiàn)：

[1]. Ao, M., Zhou, X., Kong, X. et al. A RISC-V 32-bit microprocessor based on two-dimensional semiconductors. Nature (2025). 

[2]. Yang, J., Van Gasse, K., Lukin, D.M. et al. Titanium:sapphire-on-insulator integrated lasers and amplifiers. Nature 630, 853–859 (2024).

[3]. Zhong, D., Wu, C., Jiang, Y. et al. High-speed and large-scale intrinsically stretchable integrated circuits. Nature 627, 313–320 (2024).

[4]. Naik, M.H., Regan, E.C., Zhang, Z. et al. Intralayer charge-transfer moiré excitons in van der Waals superlattices. Nature 609, 52–57 (2022).

[5]. Liu, F., Xu, R., Wu, Y. et al. Dynamic spatial progression of isolated lithium during battery operations. Nature 600, 659–663 (2021).