重磅發(fā)布！2024年度半導體十大研究進展

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2025-02-04 20:05:57 794

為記錄我國半導體科學與技術研究領域的杰出成就，推動我國半導體事業(yè)的蓬勃發(fā)展，《半導體學報（英文）》于2020年啟動“半導體年度十大研究進展”評選活動。歷經(jīng)五年的深耕細作，“十大評選”已成為我國半導體科技領域的年度盛事，見證了我國半導體領域的飛躍發(fā)展。

2025年1月，367位半導體領域卓有成就的專家學者受邀參與2024年度“十大評選”，返回有效投票220份。最終，10項優(yōu)秀成果榮膺2024年度“半導體十大研究進展”；同時，另有11項優(yōu)秀成果榮獲提名獎。

在此，我們向所有*者表示最誠摯的祝賀！同時，衷心感謝各位專家評委以及國內外專家學者的大力支持與積極參與！《半導體學報（英文）》將繼續(xù)秉持初心、砥礪前行，致力于打造半導體領域具有國際影響力的旗幟性期刊。夢雖遙，追則能達；愿雖艱，持則可圓，祝愿中國半導體研究突出重圍，邁向蓬勃發(fā)展的新征程！祝愿大家福暖四季、順遂安康！

2024年度“半導體十大研究進展”

（點擊成果名稱即可查看詳情；排名不分先后）

光學聲子軟化新理論：突破半導體器件功耗瓶頸新希望

中國科學院半導體研究所駱*團隊聯(lián)合寧波東方理工魏蘇淮教授創(chuàng)新性地提出通過拉伸原子鍵降低化學鍵強度實現(xiàn)光學聲子軟化的新理論，可以克服高k介柵電材料難以同時擁有大介電常數(shù)和寬帶隙，以及傳統(tǒng)鐵電材料因界面退極化效應難以應用于納米器件等難題。為發(fā)展晶體管高k介電層和鐵電晶體管等降低器件功耗提供了新思路。

該純理論的成果發(fā)表于《自然》雜志 (Nature, 2024, 634: 1080-1085)。

巖鹽礦(rs-) BeO的反常現(xiàn)象及起源

面向批量制造的鉭酸鋰集成光子芯片研究

中國科學院上海微系統(tǒng)與信息技術研究所歐欣研究團隊及其合作者在硅基和鈮酸鋰基光電技術中另辟蹊徑，推出一種兼具優(yōu)異光電特性和大規(guī)模制造的鉭酸鋰集成光電技術，從鉭酸鋰薄膜晶圓制造技術、低損耗微納加工方法和高性能光子芯片性能驗證三個方面*完成了鉭酸鋰集成光電技術的構建，有望滿足新一輪科技革命中人工智能、大數(shù)據(jù)等技術對高速信息處理的大規(guī)模需求。

相關成果以Lithium tantalate photonic integrated circuits for volume manufacturing為題，于2024年5月8日發(fā)表于《自然》雜志 (Nature, 2024, 629: 784-790)。

鉭酸鋰異質集成晶圓及高性能光電芯片示意圖，圖中展示了鉭酸鋰薄膜晶圓制造技術、鉭酸鋰光電調制器和微腔頻率梳產(chǎn)生器件

光電融合單片集成互連芯片

中國科學院半導體研究所李明、祁楠研究團隊研制出我國*光電融合單片集成互連芯片。通過創(chuàng)新光電協(xié)同設計，共襯底集成硅光器件與CMOS電路；突破微環(huán)諧振密集波分復用技術，單芯片總速率256 Gb/s，帶寬密度226 Gb/s/mm²。其64 Gb/s單路速率、2.85 pJ/bit收發(fā)能效均達到同期國際先進水平。該工作為智算系統(tǒng)算力網(wǎng)絡和分布式計算規(guī)模拓展奠定技術基礎。

該成果在2024年獲得亞洲固體電路會議（ASSCC）“杰出學生設計獎”，入選中國光學工程學會“硅基光電子三年優(yōu)秀成果展”，并于《半導體學報》發(fā)表研究快報 (Journal of Semiconductors, 2024, 45: 070501)。

光電融合集成互連芯片與電路架構

“晶格傳質-界面生長”材料制備新范式

北京大學劉開輝、中國科學院物理所張廣宇、人民大學劉燦團隊提出“晶格傳質-界面生長”材料制備新范式，*實現(xiàn)了層數(shù)及堆垛結構可控的菱方相二維疊層單晶通用制備。該材料在電學上達到IRDS 2028年半導體器件遷移率目標要求，在光學上實現(xiàn)近紅外波段超薄高能效光學晶體頻率轉換，有望推動新一代電子及光子芯片技術應用。

該成果發(fā)表于《科學》雜志 (Science, 2024, 385: 99-104)。

發(fā)展“晶格傳質-界面生長”新范式，制備晶圓級菱方相二維疊層單晶

有機高分子半導體材料宏量*合成

中國科學院大學黃輝研究團隊聚焦Suzuki?Miyaura交叉偶聯(lián)聚合反應長達半個世紀的難題，通過催化體系創(chuàng)新，開發(fā)了可大規(guī)模、綠色、*的有機高分子半導體材料合成新策略，該方法基本消除了高分子的自偶聯(lián)結構缺陷，顯著提升了其結晶性和載流子遷移率，從而大幅度提升了聚合物場效應管和太陽電池的性能，有望推動共軛高分子的商業(yè)化應用。

該成果發(fā)表于《自然?材料》雜志 (Nature Materials, 2024, 23: 695-702)。

新方法在有機高分子半導體材料合成中的優(yōu)勢

高安全性的新型纖維聚合物電池

復旦大學彭慧勝團隊設計兼具取向和網(wǎng)絡孔道的纖維正負極，然后原位反應生成聚合物凝膠電解質，與正極和負極形成緊密而穩(wěn)定的接觸界面，創(chuàng)建出高安全性的新型纖維聚合物儲能電池，在高低溫、高真空環(huán)境、復雜形變、機械破壞時都顯示了穩(wěn)定的電化學性能，在能源領域拓展出一個新方向。

該成果發(fā)表于《自然》雜志 (Nature, 2024, 629: 86-91)。

新型纖維聚合物電池照片

用于眼壓即時監(jiān)測和感覺反饋的神經(jīng)形態(tài)隱形眼鏡

北京理工大學沈國震教授團隊開發(fā)了一種可入眼佩戴的神經(jīng)形態(tài)隱形眼鏡，該器件可將溫度校正后的眼壓信號傳遞到體感皮層，引發(fā)分級的感覺反饋并傳遞到運動皮層，激活下游肌肉，形成眼壓信號產(chǎn)生-神經(jīng)感知-運動反饋的閉環(huán)回路，實現(xiàn)了眼壓的實時監(jiān)測和感覺反饋。這一進展為眼部疾病的預防與*診療提供了新的解決方案。

該成果發(fā)表于《自然?通訊》雜志 (Nature Communications, 2024, 15: 5635)。

神經(jīng)形態(tài)隱形眼鏡

全集成感存算一體化的多模態(tài)光電憶阻器陣列

清華大學唐建石、王鈺言、吳華強團隊研制了具有多模態(tài)感存算一體化的光電憶阻器陣列，搭建了單片集成的感內計算原型系統(tǒng)，集成了1 kb規(guī)模TiOx/ZnO光電憶阻器陣列與硅CMOS外圍電路，可通過光電激勵實現(xiàn)多種工作模式，在陣列上成功演示了多種視覺場景信息處理任務，具有高準確率與低能耗的優(yōu)勢，為智能視覺應用提供一個高效的硬件平臺。

該成果發(fā)表于《自然?納米技術》雜志 (Nature Nanotechnology, 2025, 20: 93-103)。

感存算一體化多模態(tài)光電憶阻器陣列

“太極”光芯片賦能160 TOPS/W智能計算

清華大學方璐、戴瓊海研究團隊首創(chuàng)了分布式廣度光計算架構，建立干涉-衍射聯(lián)合傳播模型，突破規(guī)模與精度矛盾的難題，研制了大規(guī)模通用智能光計算芯片“太極”，實現(xiàn)160 TOPS/W系統(tǒng)級能效。*賦能光計算實現(xiàn)自然場景千類對象識別、跨模態(tài)內容生成等通用人工智能任務，為后摩爾時代高性能智能計算探索了“光” 算力新路徑。

該成果發(fā)表于《科學》雜志 (Science, 2024, 384: 202-209)。

大規(guī)模智能光計算芯片“太極”

CMOS太赫茲波圖像傳感器

中國科學院半導體研究所劉力源課題組聯(lián)合之江實驗室和澳門大學的研究人員共同完成一款高動態(tài)范圍CMOS太赫茲波圖像傳感器面陣芯片。本工作提出了列并行CMOS太赫茲波圖像傳感器架構、新型像素結構、低噪聲讀出等關鍵技術，實現(xiàn)了對3 THz頻段太赫茲波的實時探測和成像，為未來設計更大規(guī)模數(shù)字化太赫茲焦平面器件奠定了基礎。

該成果發(fā)表于《IEEE固態(tài)電路》雜志 (IEEE Journal of Solid-State Circuits, 2024, 59: 2934-2947)。

CMOS太赫茲波圖像傳感器芯片（左）及隱藏物體太赫茲成像（右）

2024年度“半導體十大研究進展”提名獎

（點擊成果名稱即可查看詳情；排名不分先后）

大規(guī)模制備超平超柔性金剛石膜

研究團隊*實現(xiàn)了晶圓級可剝離、可轉移金剛石薄膜，采用膠帶剝離法高效制備出大面積、亞微米級超薄、納米級超平整、360°超柔性的金剛石薄膜，展示了其在微納加工及可穿戴柔性電子領域的應用潛力。通過揭示薄膜品質與剝離參數(shù)的關系，實現(xiàn)了大面積完好薄膜的穩(wěn)定制備，為金剛石薄膜的大規(guī)模生產(chǎn)和廣泛應用奠定了堅實基礎。

相關研究成果以“Scalable production of ultraflat and ultraflexible diamond membrane” 為題，在《自然》雜志上發(fā)表 (Nature, 2024, 636: 627-634)。

大規(guī)模制備超平超柔性金剛石膜

垂直結構III族氮化物深紫外發(fā)光器件的晶圓級制備

北京大學許福軍、沈波團隊針對III族氮化物深紫外發(fā)光二極管（DUV-LED）光提取效率低下的難題，創(chuàng)新發(fā)展了一種基于GaN/藍寶石模板的應力解耦方法，實現(xiàn)了DUV-LED外延結構2、4英寸晶圓級無損傷剝離，并成功制備出垂直結構器件，有效提升了光提取效率，200 mA注入電流下，峰值發(fā)光波長280 nm的深紫外LED光輸出功率達65.2 mW。

該成果發(fā)表于《自然?通訊》雜志 (Nature Communications, 2024, 15: 9398)。

垂直結構III族氮化物深紫外發(fā)光器件的4英寸晶圓級制備

新型場效應調控光電集成二極管

中國科大孫海定iGaN實驗室與武漢大學劉勝院士團隊合作，*提出新型三電極光電集成二極管，構筑載流子調制新方法，實現(xiàn)對二極管光電特性的有效調控。利用片上集成，構建出集成度高、帶寬在同類型器件中達國際最高水平的光通信系統(tǒng)。并構建了高度緊湊型可重構光電邏輯門系統(tǒng)，為開發(fā)下一代光電集成芯片提供新型器件架構和方案。

該成果以封面論文發(fā)表于《自然?電子》雜志 (Nature Electronics, 2024, 7: 279–287)。

新型光電集成二極管及其系統(tǒng)應用

基于范德華層壓的單芯片三維集成工藝

湖南大學劉淵團隊開發(fā)了一種低溫的范德華單芯片三維集成工藝。通過在120 °C的低溫下逐層層壓預制備的一步范德華電路層和半導體層，克服了單芯片三維集成的熱預算限制，保證了晶體管的本征性能，實現(xiàn)了10電路層的全范德華單芯片三維集成和多功能垂直互聯(lián)的協(xié)同工作。該研究為單芯片三維系統(tǒng)的成集提供了一條低能量路徑。

該成果發(fā)表于《自然》雜志 (Nature, 2024, 630: 340-345)。

10電路層全范德華單芯片三維集成系統(tǒng)

人造藍寶石晶體介質助力低功耗芯片發(fā)展

中國科學院上海微系統(tǒng)與信息技術研究所狄增峰研究團隊*在常溫常壓下合成原子級厚度的單晶氧化鋁柵介質材料晶圓，該材料在微觀層面呈有序排列，確保了電子傳輸穩(wěn)定性，即使在1納米厚度下也能有效阻止電流泄漏，有效解決了芯片漏電問題，為人工智能、物聯(lián)網(wǎng)等領域的低功耗芯片發(fā)展提供了材料支持。

該成果發(fā)表于《自然》雜志 (Nature, 2024, 632: 788-794)。

藍寶石單晶（c-Al₂O₃）柵介質薄膜。(a) 單晶Al（111）插層氧化形成c-Al₂O₃示意圖；(b) 4寸單晶Al（111）晶圓；(c)單晶Al（111）/c-Al₂O₃在SiO₂襯底上的截面HRTEM圖像，標尺：1 nm；(d) c-Al₂O₃晶圓厚度分布圖

亞皮瓦級低功耗計算的同質結負載型邏輯反相器

北京科技大學張錚、張躍研究團隊率先提出了二維半導體材料同質結負載型“pseudo-CMOS”集成技術，設計構筑了自偏置范德華氣隙勢壘單層二硫化鉬晶體管，有效抑制了器件的漏電流，實現(xiàn)了邏輯器件靜態(tài)功耗降至亞皮瓦級水平的重大突破，為低功耗集成電路的設計提供了新的思路和解決方案，推動了半導體集成技術的進一步發(fā)展和創(chuàng)新。

該成果發(fā)表于《自然?電子》雜志 (Nature Electronics, 2024, 7: 138-146)。

低功耗pseudo-CMOS集成器件架構

基于大規(guī)模單片集成納米管傳感器陣列的仿生嗅覺芯片研制

香港科技大學范智勇團隊以具有垂直納米管陣列結構的陽極氧化鋁為襯底，使用原子層沉積和材料成分梯度鍍膜工藝，在國際上*實現(xiàn)了具有上萬可單尋址傳感器單元的大規(guī)模單片集成仿生嗅覺芯片的研制，大幅提升了仿生嗅覺系統(tǒng)的識別能力，證明了仿生嗅覺在混合氣體和多氣味識別及機器人多感官融合等領域的可行性和應用前景。

該成果發(fā)表于《自然?電子》雜志 (Nature Electronics, 2024, 7: 157-167)。

仿生嗅覺芯片及機器狗多感官融合應用

多功能氧化鐿緩沖層用于鈣鈦礦太陽能電池

北京大學朱瑞、龔旗煌研究團隊通過“物理氣相沉積+高真空原位快速氧化方法”，大規(guī)模制備非晶態(tài)稀土氧化鐿多功能緩沖層，構筑了基于量子局域態(tài)調控電荷輸運的界面，抑制了由物質擴散和離子遷移誘發(fā)的性能衰退，率先突破了基于金屬氧化物緩沖層反式鈣鈦礦太陽電池25%的效率瓶頸，推動了鈣鈦礦太陽能電池向產(chǎn)業(yè)化方向的發(fā)展。

該成果發(fā)表于《自然》雜志 (Nature, 2024, 625: 516-522)。

（a）載流子在電子傳輸層/氧化鐿（YbO_x）/Cu界面的輸運示意圖；（b）基于YbO_x界面緩沖層的鈣鈦礦太陽能電池結構示意圖

400G硅基光電混合集成高速互連芯片

中國科學院半導體研究所劉力源、祁楠團隊，聯(lián)合*信息光電子創(chuàng)新中心肖希團隊，設計并實現(xiàn)了一款用于線性直驅共封裝光學（CPO）系統(tǒng)的4通道112 Gb/s速率光互連收發(fā)芯片。通過協(xié)同設計硅光器件與驅動/放大電路，以及光電陣列化混合集成，突破了傳統(tǒng)光模塊功耗大、延遲高的難題，為“電算光連”的智算系統(tǒng)奠定了技術基礎。

該成果發(fā)表于《IEEE固態(tài)電路》雜志 (IEEE Journal of Solid-State Circuits, 2024, 59: 3263-3276)。

光互連收發(fā)芯片板級集成照片

支持多應用的圖靈完備存算一體芯片

清華大學尹首一教授、魏少軍教授團隊提出可滿足多種算法/應用需求的圖靈完備存算一體芯片CV-CIM，并為國際*應用在立體視覺任務的存算一體芯片。該芯片提出了通用邏輯自衍生算子、數(shù)字模擬混合域組合計算、相似感知計算等關鍵技術。研究成果將為自動駕駛，無人機，智能機器人等領域提供高效計算支持。

該成果發(fā)表于《IEEE固態(tài)電路》雜志 (IEEE Journal of Solid-State Circuits, 2024, 1-15)。

支持相似感知計算的圖靈完備存算一體芯片

14nm FinFET非易失與易失存儲融合的片上學習存算一體宏芯片

中國科學院微電子研究所劉明院士、竇春萌研究團隊在國際上*基于14 nm FinFET工藝的5晶體管型邏輯閃存單元，提出了新型非易失與易失存儲融合型片上學習存算一體宏芯片，高效處理片上學習所需的長期與短期信息，支持小樣本學習任務，為發(fā)展具有持續(xù)學習能力的高能效邊緣智能計算設備提供了新思路。

該成果發(fā)表于2024年國際固態(tài)電路大會 (2024 IEEE International Solid-State Circuits Conference (ISSCC), 2024, 67: 582-584)。

14nm FinFET非易失與易失存儲融合的片上學習存算一體宏芯片照片與關鍵性能

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