ShoelessCai - 北京大学3项研究成果入选2021年度中国半导体十大研究进展

北京大学3项研究成果入选2021年度中国半导体十大研究进展

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14:37

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发表时间：2024.05.15 作者：北京大学新闻网来源：ShoelessCai 阅读：129

标题图：（a）硅基片上一体化集成的高能效电容型感知芯片的顶视显微照片；（b）该芯片的国产CMOS晶圆照片；（c）硅基片上一体化集成的电容型湿度传感器顶视显微照片；（d）电路板演示系统及湿度测试演示。

编辑：白杨 | 责编：知远

近日，《半导体学报》发布第二届“中国半导体十大研究进展”评选活动结果。此次评选共有 46 项成果获得候选推荐资格，经由 77 位半导体领域专家组成的评选委员会严格评审，选出 2021 年度“中国半导体十大研究进展”。同时，有 11 项成果荣获 2021 年度“中国半导体十大研究进展”提名奖。北京大学集成电路学院研究成果“硅基片上一体化集成的高能效电容型感知芯片”、物理学院研究成果“二维半导体单晶晶圆的可控制备”和“探测半导体界面晶格动力学的新谱学方法”等三个项目入选十大研究进展。北京大学物理学院“高性能半导体魔角激光器”等多个项目获得提名奖。

入选成果“二维半导体单晶晶圆的可控制备”

凝聚态物理与材料物理研究所、人工微结构和介观物理国家重点实验室、纳光电子前沿科学中心叶堉研究员课题组提出了一种人工育种，利用相变和重结晶过程制备晶圆尺寸单晶半导体相碲化钼（MoTe2）薄膜的新方法。该二维平面内外延技术，无需以衬底为模板，可以直接在器件基底上实现二维半导体单晶晶圆的可控制备，为二维半导体材料的层间互连提供材料基础。相关成果以“育晶、二维外延方法制备范德华 2H MoTe2 大面积单晶薄膜”（Seeded 2D epitaxy of large-area single-crystal films of the van der Waals semiconductor 2H MoTe2）为题，2021 年 4 月 9 日发表于《科学》（Science, 2021, 372(6538): 195-200）；北京大学“博雅”博士后徐晓龙为第一作者，叶堉为通讯作者。

人工微结构和介观物理：“介观光学与飞秒光物理”、“介观体系凝聚态物理与器件”和“介观物理交叉与重大应用”。实验室的主要研究领域如下：（1）介观光学与飞秒光物理：纳米光子学与超快光谱、飞秒强场光物理与相干控制、介观光学结构、材料和纳米/微光学器件；（2）介观体系凝聚态物理与器件：纳米半导体与光电子物理学、低维纳米结构与物理、宽禁带半导体；（3）介观物理交叉与重大应用：软凝聚态、纳米尺度高分辨检测、应用超导、光子量子芯片。

纳光电子：光子芯片被认为是“后摩尔时代”信息领域发展的核心技术之一。纳光电子学的发展为实现更高性能和更高集成度的光子芯片技术奠定了基础。光子芯片采用光子/光波作为信息载体,可实现巨量信息的精准获取、高速传输及并行处理。光具有极其丰富的信息维度（波长、相位、偏振和模式等）以及多样化的光与物质相互作用机制,在信息领域发挥着越来越重要的作用。

光子材料相关发展，这些硅光平台通过多项目晶圆（Multi-ProjectWafer,MPW）服务可提供微纳结构制备，但基本限于 CMOS 兼容材料体系和制程，无法满足纳米尺度光电子结构及芯片制备工艺复杂多样化的需求。目前，尚未有薄膜铌酸锂、相变材料、二维材料等新兴光电材料的标准化流片工艺，制约了相关器件和芯片的发展。

目前,世界各国都积极推进大规模光电融合集成研究,包括仿真软件、芯片设计、芯片制造及封装测试等方面。在光电子流片工艺平台方面,有 IMECAS 等优势单位,具备 130nm 和 180nm 工艺线。在光电集成芯片封测方面,有中国科学院半导体研究所等多家优势单位。

相变和重结晶过程制备：相变重结晶是指固态金属及合金在加热（或冷却）通过相变点时，从一种 品体结构 转变为另一种 晶体结构 的过程。这个过程涉及到 重结晶，即将晶体溶于或熔融以后，又重新从或熔体中结晶。重结晶可以使不纯净的物质获得纯化，或使混合在一起的盐类彼此分离。这种技术在化学和材料科学领域中应用广泛，主要用于分离、纯化和制造材料（百度文库，《相变重结晶》）。

ShoelessCai 评注，重结晶是用高温将物质结构打破，重新组合。

晶圆衬底：衬底是指在半导体制造过程中作为基础层的物质。它通常是一个硅片或其他材料的薄片，作为承载芯片和电子器件的基础。衬底可以看作是半导体器件的“地基”。ShoelessCai 评注，北大的这篇文章，主要就是去掉衬底，用新方法制备晶圆。

二维（2D）光电材料是由单层或少数层原子或者分子层组成，层内由较强的共价键或离子键连接，而层间则由作用力较弱的范德瓦耳斯力结合。它们因独特的2D结构而具有奇特的特性与功能。目前， 2D光电材料主要包括石墨烯（GN）、拓扑绝缘体(TI)、过渡金属硫系化合物(TMDCs)、黑磷（BP）等。二维材料是一种具有原子厚度片状结构的材料，其具有独特的电子、光学和机械性能。这些材料通常在平面内由共价键结合而基体间是弱的分子键结合。其中，石墨烯是最典型的二维材料，现有的二维材料大部分都是从层状材料的体相中分离得到的，这种合成方法大大地限制了新型二维材料的发现。合成具有更广泛性能的二维材料取决于材料组成元素以及基体的类型（叶岚山，2017）。ShoelessCai 评注，本文所谓的“生长”就是指的，二维材料合成，弱力键是否可以用人工的方式干预。发展机遇二维材料的晶体管和集成电路可能是我国解决“芯片”领域“卡脖子”问题，实现我国“芯片”领域弯道超车的一个关键契机。

相碲化钼：北京大学的戴伦和叶堉团队，研究了二维薄层碲（di-4）化钼（mu-4）材料在化学气相沉积（CVD）生长过程中的“固体-固体”相变的行为，并揭示了其背后的生长机制。ShoelessCai 评注，该文研究理论特殊方法合成二维材料。

化学气相沉积：由于气相化学反应而在基体表面上沉积固体薄膜，是一种薄膜工艺，其中沉积物质通常是原子、分子或两者的组合。

相变理论：解释物质的各种相变现象的理论。相变有时是突变（如固液相变），有时也可以是比较平稳的变化（如一定温度以上的气液相变），在二者之间的临界点会发生很多反常的现象，如比热无限增大等，称为临界现象，是相变理论研究的重要课题之一（百度百科）。

入选成果“探测半导体界面晶格动力学的新谱学方法”

量子材料科学中心、北京大学电子显微镜实验室高鹏研究员研究组基于扫描透射电子显微镜发展了四维电子能量损失谱技术，突破了传统谱学手段难以在纳米尺度表征晶格动力学的局限，首次实现半导体异质结界面处局域声子模式的测量。该方法可以直接测量局域声子模式的空间分布和色散关系，从而理解界面热导率和载流子迁移率等物理性质。相关成果以“测量界面声子色散”（Measuring phonon dispersion at an interface）为题，2021 年 11 月 17 日表于《自然》（Nature, 2021, 599: 399-403）；量子材料科学中心、电子显微镜实验室研究助理亓瑞时与物理学院 2018 级博士研究生时若晨为共同第一作者，高鹏为通讯作者。

四维电子能量损失谱：电子能量损失谱，是利用入射电子引起材料表面原子芯级电子电离、价带电子激发、价带电子集体震荡以及电子震荡激发等，发生非弹性散射而损失的能量来获取表面原子的物理和化学信息的一种分析方法。ShoelessCai 评注，入射电子打出其他粒子，而产生能量。打出电子的方法，包括但不限于材料表面原子芯级电子电离、价带电子激发、价带电子集体震荡、电子震荡激发。

晶格动力学：晶体中的原子实际上不是静止在晶格平衡位置上，而是围绕平衡位置作微振动，称为晶格振动。

半导体异质结界面：半导体的异质结是一种特殊的PN结，由两层以上不同的半导体材料薄膜依次沉积在同一基座上形成，这些材料具有不同的能带隙，它们可以是砷化镓之类的化合物，也可以是硅-锗之类的半导体合金（百度百科）。正常的 PN 结构，类似于一种“稳定的使得电子移动的结构”，ShoelessCai 评注。PN结是由n型半导体和p型半导体组成的结，它们中的电子和空穴会互相扩散，直到达到一个平衡状态。在这个平衡状态下，电子和空穴的浓度相等，并且在结的中心形成一个电势垒。这个电势垒可以被用来控制电流的流动，因此PN结被广泛用于半导体器件中，如二极管、电容器、光电二极管等（知乎，icguide）。

局域声子模式：声子（Phonon），即“晶格振动的简正模能量量子”。在固体物理学的概念中，结晶态固体中的原子或分子是按一定的规律排列在晶格上的。在晶体中，原子间有相互作用，原子并非是静止的，它们总是围绕着其平衡位置在做不断的振动。另一方面，这些原子又通过其间的相互作用力而联系在一起，即它们各自的振动不是彼此独立的。原子之间的相互作用力一般可以很好地近似为弹性力（百度百科）。

在局域共振结构中，由于中间很软的包覆层的存在,将较硬的芯球连接在基体上，组成了具有低频的共振单元。当基体中传播的弹性波的频率接近共振单元的共振频率时，共振结构单元将与弹性波发生强烈的耦合作用，使其不能继续向前传播，从而导致了带隙的产生（百度百科）。ShoelessCai 评注，局域共振的作用，是产生一些带隙，即一些“空带”，这些“空带”在其他应用中会产生作用。

载流子迁移率：描述半导体内部电子、空穴运动快慢的。电子迁移率（electron mobility）是固体物理学中用于描述金属或半导体内部电子，在电场作用下移动快慢程度的物理量。在半导体中，另一个类似的物理量称为空穴迁移率（hole mobility）。人们常用载流子迁移率（carrier mobility）来指代半导体内部电子和空穴整体的运动快慢。

界面声子：因为声子的跨界面输运沟通了界面两侧材料中的声子性质，所以声子在界面处的行为不能简单地用两侧体材料中的声子性质的叠加来描述，而是通过仅在界面处存在特殊的强局域模式桥接两侧体材料中的声子性质。同时，鉴于界面两侧声子的本征性质往往有较大差异，在界面热阻的研究中不可忽略的一部分就是声子的非谐散射过程（同济大学，界面热阻研究）。

色散：色散是复色光分解为单色光而形成光谱的现象。ShoelessCai 评注，界面声子色散，暂时认为是声子于界面处，两侧界面产生的振动，将其分解为不同的谱的能量（或者振动）的一种技术，或者模式。

入选成果“硅基片上一体化集成的高能效电容型感知芯片”

电容型感知芯片是工业互联网和万物智联时代的数据感知基础设施，北京大学黄如、叶乐研究团队实现了基于国产硅基 CMOS 工艺的片上一体化集成的动态电荷域高能效电容型感知芯片，通过首次提出的动态电荷域功耗自感知技术和动态范围自适应滑动技术，显著提高了数据感知的能效，解决了复杂工作环境导致的性能退化和可靠性问题，演示了环境湿度感知应用，打破了同类芯片的世界能效记录和国外卡脖子封锁。相关成果在 2021 年 10 月 20 日以“Energy-Efficient CMOS Humidity Sensors Using Adaptive Range-Shift Zoom CDC and Power-Aware Floating Inverter Amplifier Array” 为题发表于集成电路芯片设计国际顶级期刊 IEEE Journal of Solid-State Circuits （JSSC），并在 2021 年“集成电路设计奥林匹克会议” International Solid-State Circuits Conference (ISSCC) 上被遴选为 Highlight 亮点论文。北京大学博士研究生李和倚为论文第一作者。北京大学叶乐副教授和黄如院士为论文共同通讯作者。该工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金委项目的支持。

动态电荷域功耗自感知技术：减小芯片功耗是很重要的一个任务。静态功耗以及动态功耗是两个主要的功耗源。研究团队针对其能效瓶颈问题，提出动态电荷域功耗自感知技术，解决了能量-信息转换率过低的难题，大幅延长了感知芯片的电池使用寿命。ShoelessCai 评注，按照研究结果的解释，可能是一种“反保险丝”技术，即原始生态往 A 方向跑，工作的作用是让其往 B 方向跑。

动态范围自适应滑动技术：北京大学黄如院士-叶乐副教授研究团队提出了动态电荷域功耗自感知技术和动态范围自适应滑动技术，并成功研制了一款国际领先的动态电荷域电容感知芯片，具有国际领先的感知精度和能效，可显著降低物联网节点的功耗水平。研究组提出了动态范围自适应滑动技术，解决了芯片抗干扰能力差和设计冗余过大的问题，显著提高了芯片的可靠性，使得该芯片即使工作在苛刻环境下（例如苛刻高低温环境、苛刻高湿环境、复杂电磁干扰场景等），性能也基本不退化。

延伸阅读

《半导体学报》是中国科学院主管、中国电子学会和中国科学院半导体研究所主办的学术刊物，1980年创刊，首任主编是王守武院士，黄昆先生撰写了创刊号首篇论文，2009年改为全英文刊Journal of Semiconductors（简称JOS），同年开始与IOPP英国物理学会出版社合作向全球发行。现任主编是中科院副院长、国科大校长李树深院士。2019年，JOS入选“中国科技期刊卓越行动计划”。2020年，JOS被EI收录。

2020年，《半导体学报》在创刊四十年之际，启动实施第一届“中国半导体年度十大研究进展”的推荐和评选工作，记录我国半导体科学与技术研究领域的标志性成果，获得了广泛关注。以我国科研院所、高校和企业等机构为第一署名单位，本年度公开发表的半导体领域研究成果均可参与评选。

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坦率地说，收乐财很惭愧，因为 Jingyi 自从 2018 年失业以来（失业也是比较合理的，因为工作上的反馈实在太少了。好比扔你一个人在那自学，还提出了相当高的要求。我很庆幸，居然有这样的运气，体会如此高标准的模式），但是成绩就是成绩，2018 年以来只有考研英语和软件工程师考试的客观题通过了官方检验。我们在学习的过程中有自己的理解，这些理解，我们都用“ShoelessCai 评注”标注出来。因此，希望伙伴们谨慎使用，更多是启发。