今年4月，周鵬、劉春森團隊研發出「破曉（PoX）」二維閃存原型器件，實現了400皮秒超高速非易失存儲，是迄今最快的半導體電荷存儲技術，為打破算力發展困境提供了底層原理。時隔半年，團隊將「破曉」與成熟硅基CMOS（互補金屬氧化物半導體）工藝平臺深度融合 —— 提出二維-硅基混合架構「長纓（CY-01）」，通過將二維閃存器件直接融入成熟的互補金屬氧化物半導體（CMOS）工藝平臺，攻克了二維信息器件工程化的關鍵難題。

集成電路領域鮮有中國的原創技術，從“破曉”到“長纓”的命名，都暗含了研究團隊“希望助力中國半導體產業有所突破”的決心。

二維超快閃存技術突破

存儲器是一個非常成熟的產業，人們早已習慣了易失性存儲和非易失性存儲兩套系統共同工作的模式。但在大數據與人工智能時代，數據存取性能正面臨極致要求，而傳統存儲器在速度與功耗上的局限，已成為制約算力發展的關鍵瓶頸之一。“過去幾十年，國際上提出了多種新型存儲技術路徑，但始終沒有顛覆現有存儲芯片格局。”劉春森坦言，“以閃存為例，其結構十分簡單，且運行穩定性高、價格便宜，很難被取代。”

從當前技術條件看，存儲器是二維電子器件中最有望率先實現產業化的類型。然而，顛覆性器件從原理走向系統級應用，往往是一場漫長的科技馬拉松。為加速這一進程，推動二維電子器件向功能芯片邁進，周鵬-劉春森團隊選擇主動融入產業鏈思維，嘗試以終為始，“從10到0”逆向推演，鎖定最具可行性的技術發展路徑。

提及芯片人們就會想起硅元素，這是因為此前乃至于當下的不少芯片都由硅材料制作而來，正因此從20世紀50年代后期開始大量生產芯片的美國舊金山灣區也被叫做硅谷。二維材料，既也是周鵬團隊的研究重點之一，也是全球芯片業界和學界正在探索的一種材料。面對摩爾定律逼近物理極限這一挑戰，國際公認的“破局小能手”便是二維材料半導體。

目前，CMOS技術仍是集成電路制造的主流工藝，產業鏈成熟、應用廣泛。那么，何不借助現有成熟硅基CMOS制造工藝這條“高速公路”，讓二維存儲器件這一新型“交通工具”行駛得更快呢？二維半導體厚度僅為1-3個原子，如同薄翼般脆弱，與百微米級別的硅材料并不兼容；更關鍵的是，當前全球幾乎沒有芯片工廠使用二維材料。假如將其引入現有產線可能會造成污染，進而會對其他電子器件造成不可估量的影響，所以沒有任何芯片廠商能夠接受這一局面。正因此，二維材料要想發揮價值，就必須與成熟的硅基CMOS工藝進行深度融合。

如何將二維材料與CMOS集成又不破壞其性能，是團隊需要攻克的核心難題。“我們沒有必要去改變CMOS，而是要去適應它。”團隊從本身就具有一定柔性的二維材料入手，通過模塊化的集成方案，先將二維存儲電路與成熟CMOS電路分離制造，再與CMOS控制電路通過高密度單片互連技術（微米尺度通孔）實現完整芯片集成。

正是這項核心工藝的創新，實現了在原子尺度上讓二維材料和CMOS襯底的緊密貼合，性能“碾壓”目前的Flash閃存技術。測試結果顯示，該新型存儲芯片集成良率達94.3%，支持8-bit指令操作、32-bit高速并行操作與隨機尋址。

全棧片上工藝

由于，二維存儲器件的工作機制與標準CMOS不兼容，團隊提出跨平臺系統設計方法論，在二維存儲電路和CMOS電路之間專門添加了“轉譯層”，并結合高密度單片互連技術，實現了二維電路和CMOS電路軟、硬件兼容性通信。“由此，CMOS電路能夠理解二維器件的工作模式，二維電路也能夠理解從CMOS電路傳遞過來的控制信號。”劉春森說，并將這一系統集成框架命名為“長纓（CY-01）架構”。

一方面，該架構采用了串擾抑制的二維或非門（NOR gate）閃存電路設計方案，即采用或非門架構和半選方案（Half-Select Scheme），借此將編程和擦除串擾引起的閾值電壓漂移抑制在極低水平；另一方面，該架構采用了電壓域兼容設計方案，針對二維閃存操作所需要的負電壓和高電壓，該團隊在CMOS的電源開關模塊中設計了隔離N型金屬氧化物半導體，利用隔離環合深N阱，實現了局部負壓偏置和高耐壓；最后，該架構采用了阻抗匹配設計方案，借此針對字線緩沖器、位線緩沖器和源線緩沖器以及靈敏放大器進行了優化，讓它們的驅動能力和讀取能力可以和二維閃存模塊的阻抗相匹配。具體來說，該團隊使用邏輯努力理論（Logical Effort Theory）優化了緩沖器中的反相器鏈，提升了驅動能力和信號速度。這一架構解決了二維電子器件新機制與傳統CMOS工藝之間的兼容性問題，完成了二維電路設計與CMOS外圍電路之間的協同設計和驗證。

本次論文顯示，為了實現更加“友好”的二維封裝，他們開發了一種保護性封裝策略：首先，其采用了區域特異性靜電放電保護的方法，針對不同類型的焊盤設計了四種靜電放電保護電路；其次，他們使用了室溫超聲鍵合，以此來替代傳統熱壓鍵合，從而能夠降低熱預算和應力預算，進而能將封裝后的二維電路的泄漏電流降低一個數量級以上；再次，在進行芯片貼裝時，他們使用了室溫固化粘合劑，從而能夠進一步地減少熱損傷。

始終橫亙在研究者面前的核心挑戰，是“LAB to FAB”的現實難題，這項技術究竟能否走出實驗室，實現真正的產業化應用？