推动后摩尔芯片元器件突破：清华学者多维度探索

在过去半个多世纪，集成电路技术开创了摩尔时代，如今芯片晶体管密度已达到亿量级每平方毫米。我们在材料、工艺、器件、集成、架构、生态六大技术引擎驱动下，获得了摩尔浪潮。

实际上，早在十几年前，人们已经意识到摩尔定律失效的器件瓶颈问题。随着近年来 AI 技术的高速发展，人们对算力提出了更高的要求。

需要了解的是，芯片算力与单器件算力、晶体管密度、单芯片面积和单芯片集成度密切相关。

因此，在后摩尔时代，通过全新原理、全新架构的新型元器件提升芯片的单器件算力和芯片集成度，有望成为短期内提升算力的有效解决方案之一。

清华大学材料学院副教授、北京市集成电路高精尖创新中心研究员王琛致力于芯片硬科技的研究，从芯片新材料基础物性与后摩尔芯片两个端口，推动人工智能时代的最关键底层技术发展。

他致力于多维度开展后摩尔芯片系统性基础研究和融合性应用研究，涵盖半导体异质界面强场输运行为与超快动力学、新型半导体异质界面、芯片互联材料、下一代半导体工艺、新原理高性能器件、多源异质集成微系统和新一代芯片等研究方向。

凭借从“原理-材料-器件-集成-芯片”五个维度开展芯片硬科技基础问题探索和技术图谱绘制，基于新材料研发全适配器件，高效推动后摩尔芯片的突破，王琛成为 2023 年度《麻省理工科技评论》“35 岁以下科技创新 35 人”中国入选者之一。

高效推动后摩尔芯片突破

芯片产业的发展是一个动态变化的过程。最初，领域内的问题是器件尺寸不够小、芯片速度不够快，电子速度可被认定为是恒定的，随着摩尔定律发展，晶体管不断地缩小。

很快研究人员就发现，当速度提升后，承载着驱动和输出电信号的载体互联材料和互联架构性能，跟不上摩尔定律发展的速度。

王琛指出，到现阶段，整个芯片的快慢已经不仅仅是由晶体管的速度决定的，而很大程度上转变为由芯片互联系统的延迟决定。

20 世纪 70 至 80 年代，领域内最初使用的互联材料是铝，但其在电流密度高的条件下，存在着高电迁移、结晶穿刺等一系列问题。

20 世纪末，IBM 提出了一种创新的方案：用铜作为芯片的互联材料。摩托罗拉、台积电等将铜引进并将其在 0.18um 节点产业化后，验证了铜能够让芯片的能耗降低、速度提升，并且具备很强的技术潜力。

图丨后摩尔时代芯片互连新材料及工艺革新技术路线图谱[1]（来源：SCIENTIA SINICA Chimica）

为解决后摩尔时代芯片互联材料在纳米尺度的强量子效应，王琛与课题组通过探索铑、钼等合金的特异性能，发展出适用于后摩尔芯片纳米尺度互联新材料体系（如光互联、超导材料互联等）和工艺方案，并开展相关的技术前沿验证。

最近，王琛与团队在原理上通过太赫兹光谱和强场输运等的方法，探究新材料在量子尺度的动力学行为，并反馈到新材料基础物性的定制中，进而通优化器件架构和集成技术，实现特种芯片的技术优势显现。

相关技术有望在新型量子界面相调制器件、面内输运激子学器件、超灵敏 DNA 感知器件等研究方向崭露头角。

图丨从基于超快动力学的光电磁融合测试技术揭示后摩尔元器件新原理[2]（来源：Light: Science and Applications）

通过发展高度可集成的硅通孔材料和工艺，王琛与团队实现了晶圆级多模式的立体多源异构集成微系统芯片的技术突破。

并且，开发了针对多种化工和环境场景的高集成度多模式环境感知微系统芯片，为新一代高性能芯片的超高集成难题提供全新解决方案。

在芯片器件三维高密度集成领域，王琛通过发展新型的中间结层设计和工艺方案提升带宽，突破了存储器件三维集成的层级限制和领域商业化瓶颈。

基于该技术和相关研究，获得了英特尔特别贡献奖（Group Recognition Award），获奖理由为“领导和发展了有史以来第一次基于三阶 3D 闪存芯片的器件擦除技术”。

需要了解的是，应用于自动驾驶或 AI 的芯片需要很强的可配置性和定制化，其包括很多不同的模组、不同应用和不同的用户。

王琛表示，多层级芯片的 3D 化芯粒技术能够将不同的模块灵活地组合，并实现整个芯片的快速交付。

无论是逻辑、存储，还是传感、通信、智能化 AI 芯片，都可以用垂直堆叠和水平拓展的方式进行芯片组合，而无需开发新的芯片，这对加速应用和多场景定制化落地十分有利。

从梦想成为科学家到走上科研之路

王琛生于青城内蒙古呼和浩特，成长于草原钢城内蒙古包头，父母都是资深技术人员。

着迷于重工业的雄壮力量和宏大而又精妙的工业设计的他，从小就对机械、自动化、材料、化工、电子都领域形成直观的认识。因此，逐步产生了成为科学家的梦想。

王琛的科研兴趣从本科物理学习阶段开始启蒙，他就读于武汉大学物理学基地班，师从廖蕾教授和肖巍教授，积累了丰富的实验凝聚态物理学和理论计算物理学技能。

本科期间，他对基于石墨烯和无损栅极介电材料的新型晶体管进行研究，实现了迁移率和电流密度性能的突破。并且，以专业排名第一的成绩毕业，获得国家奖学金和优秀毕业生。

图丨王琛在中国科技青年论坛演讲（来源：DeepTech）

随后，王琛到美国加州大学洛杉矶分校攻读博士学位，研究方向为微纳电子器件，博士导师为段镶锋教授和黄昱教授。得益于本科期间扎实的物理基础，他在博士期间发表 20 余篇高影响论文。

在博士二年级，王琛以共同一作身份在 Nature Nanotechnology 发表论文[3]，发明了一种率先实现的单原子层半导体横向异质结，代表了当时器件领域的前沿突破。

该研究被业内评为“新结构器件的里程碑工作”，截至目前，相关论文已引用 1200 余次。王琛表示：“博士期间高水平科研训练和前沿领域认知让我受益匪浅，这也是我走上高水平科研创新之路的基础。”

香港城市大学讲席教授张华在综述中评论道：“横向异质结器件由于每个组分具有限定的 p 型或者 n 型特征，因而具备理想的二极管异质结特性，并且是研究光电器件的理想平台[4]。”

此外，王琛还报道了一种全新的原子层半导体分子超晶格的全新材料体系，为攻克新型高性能半导体器件研制的材料瓶颈提出全新的解决方案[5]。

由于这是一个非常交叉和前沿的课题，整个项目做实验过程中几乎所有的测试方法、测试平台都需要从零搭建。

电化学动力学精确控制和离子栅晶体管漏电控制这些看似平常的问题，需要 3 个月甚至更久的实验优化，王琛通过一点点改进设备来解决。

他回忆道：“就连普通的高分辨透射电子显微镜图像，由于材料体系的复杂都成像困难，在黑漆漆的电镜房间，我和合作同学调试了近百小时。”

几经波折，论文最终发表在 Nature，成为他博士期间的“收官之作”。

美国国家科学院院士、美国斯坦福大学崔屹教授等人在一篇综述中，强调了发展原子层半导体-分子超晶格器件研究中“原位光电-电化学动力学过程平台”的重要意义[6]。

图丨全新的原子层半导体-分子超晶格器件（来源：Nature）

为尽快推动芯片产业创新，王琛在博士毕业后，分别在美国硅谷任职于英特尔和泛林半导体等知名芯片公司，作为高级研究员和项目组长，负责多代高性能芯片核心研发，具有高端芯片器件/架构设计、材料、工艺集成、流片验证和良率提升方面的研发能力。

他表示：“这些工作经历让我具备从基础研究到面向芯片产业的创新思维，并从宏观上了解产业化芯片从 0 到 1 的全过程，成功的产品是极度复杂的系统工程，而不是做单一的工艺或技术。”

疫情期间克服重重困难，基于对创新的热爱和追求学术研究更大的自由度，带着解决国家“卡脖子”难题的志向，作为新材料与固体电子交叉领域科学家加入清华大学。

“儿时成为科学家的梦想，在机缘巧合下竟然成真了。”王琛感叹道。

用种子技术打造企业可用的“多边形战士”

不仅成立独立课题组 NEXT Lab，为打破芯片研究实验室（Lab）与半导体制造工程（Fab）之间的壁垒，王琛还创建了具有鲜明特色的 NEXT Mini-Fab。

通过发展多层次递进性的系统性基础研究和融合性应用研究，基于新材料、新原理器件和新工艺的后摩尔芯片研究。

“在清华，与跟随式的研究相比，我更想也更需要去做那些具有原始创新的前沿探索研究。如果科技是一颗大树，我认为只有根扎得深了，日后它的枝干才会繁茂。”王琛说。

目前，领域内对于芯片的很多最基础的物理特性、机理等方面了解尚未明晰。因此，他与团队通过探索基本的物理参数、动力学行为探究材料和器件高性能的本质，来判定后摩尔元器件的技术潜力。

不同于基础研究的单点突破，王琛的产业工作经验使他十分了解企业的实际需求。因此，从研究设计开始，就以体系化思路进行推进，从而打造适合企业技术衔接的“多边形战士”。

据了解，目前，王琛实验室已建成一条特种芯片试验生产线。研究人员会在实验室把原型芯片制备出来，并与同类芯片直接对比效能，从而更加符合和贴近技术原创、技术发展和技术落地的需求。

“为此，我们也在构建关键芯片器件技术路线图谱，从理论工作机制方面进行创新。希望通过发展一系列种子技术，能够针对特定后摩尔芯片领域给出最佳器件技术方案。”王琛说。

图丨王琛（第一排）与课题组部分成员（来源：王琛）

据介绍，王琛团队已与国内多个行业领头公司进行技术合作，并获得多项独立和联合专利，未来期望能够通过原创新一代器件技术，推动高效能定制化芯片的开发和应用落地。

主要服务于后摩尔元器件原理性探索，应用场景包括：高效能智能计算芯片、特定领域的生物检测芯片、综合环境感知芯片、定制化的存储芯片、光电融合异构芯片等。

他认为，技术的突破往往具有非线性，在后摩尔时代，新一代器件技术势必催生全新的高效能人机芯片和高效能智能芯片。“未来，全智能芯片将极大地扩展人类的认知，改变人类的生活方式，颠覆人与人、人与自然的交互。”

下一步，王琛计划带领团队扩大新材料在当前芯片中的试用比例，并开展更大规模的流片测试，争取以三年为周期迭代发展具有广阔技术潜力和产品潜力的后摩尔芯片原型样机。

参考资料：

1.Simian Zhang, Xiaonan Deng, Yuqi Wang, Yifei Wu, Jianing Liu, Zhengcao Li, Jian Cai, Chen Wang（王琛）,Revolution of next-generation interconnect materials and key processes for advanced chips in post-moore era. SCIENTIA SINICA Chimica , 53, 10, 2027 - 2067 (2023).

2.Yifei Wu, Yuqi Wang, Di Bao, Xiaonan Deng, Simian Zhang, Lin Yu-chun, Shengxian Ke, Jianing Liu, Yingjie Liu, Zeli Wang, Pingren Ham, Andrew Hanna, Jiaming Pan, Xinyue Hu, Zhengcao Li, Ji Zhou & Chen Wang（王琛），Emerging probing perspective of two-dimensional materials physics: terahertz emission spectroscopy. Light: Science Applications 13, 146 (2024).

3.Duan, X.*, Wang, C（王琛）.*, Shaw, J*. et al. Lateral epitaxial growth of two-dimensional layered semiconductor heterojunctions. Nature Nanotechnology 9, 1024–1030 (2014).

4.Tan, C., Chen, J., Wu, XJ. et al. Epitaxial growth of hybrid nanostructures. Nature Review Materials 3, 17089 (2018).

5.Chen Wang（王琛）, Qiyuan He, Udayabagya Halim, Yuanyue Liu, Enbo Zhu, Zhaoyang Lin, Hai Xiao, Xidong Duan, Ziying Feng, Rui Cheng, Nathan O. Weiss, Guojun Ye, Yun-Chiao Huang, Hao Wu, Hung-Chieh Cheng, Imran Shakir, Lei Liao, Xianhui Chen, William A. Goddard III, Yu Huang & Xiangfeng Duan.Monolayer atomic crystal molecular superlattices. Nature 555, 7695，231-236(2018).

6.Wu, Y., Li, D., Wu, CL. et al. Electrostatic gating and intercalation in 2D materials.Nature Reviews Materials 8, 41–53 (2023).

运营/排版：何晨龙

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