2022年度中国半导体十大研究进展

作者 | 发布日期 2023 年 01 月 20 日 11:14 | 分类 未分類

1.拓扑腔面发射激光器

中科院物理研究所陆凌团队将原创的拓扑光腔应用于半导体激光芯片,研制出拓扑腔面发射激光器[topological-cavity surface-emitting laser (TCSEL)],得到了远超主流商用lol赛事下注的单模功率和光束质量。TCSEL的发明有望解决拓扑物理应用的长期瓶颈,对于激光技术的整体进步,特别是当下人脸识别、自动驾驶、虚拟现实所需的三维感知和激光雷达等新兴技术有重要意义,详见TCSEL.com。
该成果发表于《自然光子学》杂志 (Nature Photonics, 2022, 16: 279-283)。

TCSEL示意图

2.超高热导率半导体-砷化硼载流子迁移率精准测定

国家纳米科学中心刘新风研究员团队联合休斯顿大学包吉明团队和任志锋团队世界上首次精准测定了超高热导率半导体-立方砷化硼(c-BAs)单晶的载流子迁移率;立方砷化硼材料高的载流子迁移速率以及超高的热导率,表明该材料可广泛应用于光电器件、电子元件等领域,为其大规模应用指明了方向。

该成果发表于《科学》杂志 (Science, 2022, 377: 433-436)。

瞬态反射显微成像和立方砷化硼的载流子扩散。(A)实验装置示意图,激发波长为600 nm探测波长为800 nm;(B)不同时刻的瞬态反射显微成像(标尺1微米);(C)典型的载流子动力学;(D)0.5 ps的二维高斯拟合;(E)不同时刻的载流子分布方差随时间的演化及载流子迁移率。

3.电注入激射铝镓氮(AlGaN)紫外激光器

中国科学院半导体研究所赵德刚、杨静研究团队实现了我国首支电注入激射波长小于360 nm的AlGaN紫外激光器。通过结构设计、界面控制及应力调控等方法解决紫外激光器发光效率低、高Al组分AlGaN的p掺杂困难、以及大失配外延等一系列紫外激光器的关键科学和技术问题,为国内紫外固化、光刻机等新型紫外光源的研制提供技术保障。

该成果发表于《半导体学报》杂志 (Journal of Semiconductors, 2022, 43, 010501. doi: 10.1088/1674-4926/43/1/010501)。

AlGaN紫外激光器P-I曲线,插图是AlGaN紫外激光器激射谱和激射光斑(蓝色的激射光斑为紫外激光器照射在白色打印纸上产生的蓝色荧光)。

4.首次制成栅极长度最小的晶体管

人类又向摩尔定律的极限发起挑战。这一次中国人扮演了探索者的角色。清华大学任天令教授团队首次制备出亚1纳米栅极长度晶体管,该晶体管具有良好的电学性能。利用石墨烯单原子层厚度作为栅极,通过石墨烯侧向电场调控垂直的MoS2沟道开关,从而实现等效物理栅长为0.34 nm。这项工作将有助于推动摩尔定律进一步发展到亚1纳米。

该成果发表于《自然》杂志(Nature 2022, 603: 259–264)。

亚1纳米栅长晶体管结构示意图

5.双层二维半导体大面积外延生长

南京大学王欣然、李涛涛与东南大学王金兰、马亮团队紧密合作,提出了衬底表面台阶高度精确调控二维半导体层数的思想和“齐头并进”的全新生长机制,突破逐层生长的热力学限制,首次实现了厘米级均匀的双层MoS2外延生长,刷新了二维半导体器件开态电流的纪录,并满足2028年国际器件与系统路线图的技术指标。

该成果发表于《自然》杂志(Nature, 2022, 605, 69-75)。

双层MoS2的大面积外延生长

6.具备超高导电率的可溶液加工n型导电聚合物

华南理工大学黄飞教授团队提出了一种n型导电聚合物的合成新策略,利用醌类氧化剂可逆的氧化还原特性,将氧化聚合和还原掺杂结合,大幅提高了有机半导体的n型掺杂效率,实现其由半导体向导体的转变。合成的聚(苯并二呋喃二酮)(PBFDO)具有超过2000 S cm-1的导电率以及良好的空气稳定性,在有机电子器件中展现出广泛的应用前景。

该成果发表于《自然》杂志(Nature, 2022, 611: 271)。

n型导电聚合物聚(苯并二呋喃二酮)的合成机理及其在有机电化学晶体管(a-c)、有机热电(d-e)以及柔性印刷电路(f)中的应用。

7.基于钙钛矿量子线阵列的大面积平面和球形发光二极管

香港科技大学范智勇教授团队开发出了一套崭新的钙钛矿量子线阵列生长工艺,其在大面积的刚性、柔性、平面以及3D衬底上均具有超高均匀性。基于此,团队首次实现了钙钛矿LED器件的晶圆级制备,以及世界首个3D球形LED器件,完美解决了传统平面器件在空间亮度分布上的弊端。其有望成为下一代照明显示材料与器件的有利竞争者。

该成果发表于《自然光子学》杂志(Nature Photonics, 2022, 16, 284–290)。

钙钛矿量子线阵列的普适性生长

8.基于二维范德华异质结的宽光谱感算一体器件

华中科技大学翟天佑教授、周兴副教授团队与南京大学缪峰教授团队合作创新性地提出了二维双极性范德华异质结,通过电场调控使其光响应正负连续可调,首次在硬件层面实现了宽光谱图像探测和卷积计算的同步进行,突破了传统宽光谱机器视觉系统中感算分离所产生的功耗与时间延迟瓶颈,推动了机器视觉等人工智能领域的发展进程。

该成果发表于《自然电子》杂志(Nature Electronics, 2022, 5: 248-254)。

宽光谱感算一体光电器件

9.基于三维阻变存储器的存算一体技术

中科院微电子研究所刘明院士、张锋研究员团队与北理工王兴华副教授团队在三维存算一体芯片领域取得突破,该团队在国际上首次设计实现了基于三维垂直结构阻变存储器的存算一体宏单元芯片,通过实验证明了三维阻变存储器可以实现存算一体技术并具有低功耗、高算力、高密度等方面的优势,在高性能边缘计算领域有着广阔的发展前景。

该成果发表于《自然电子》杂志(Nature Electronics, 2022, 5: 469-477)。

基于三维垂直结构阻变存储器的存算一体宏单元

10.高线性度、超宽带5G毫米波相控阵收发前端芯片

东南大学赵涤燹,尤肖虎研究团队实现可同时覆盖3GPP n257, n258, n261频段的5G毫米波CMOS相控阵芯片;通过提出宽带线性化技术,有效改善芯片在高功率下的幅度和相位失真,同时抑制芯片在宽带信号下的电学记忆效应,解决了传输超宽带高阶调制信号的难题;芯片成果已成功应用于国产化毫米波分布式微基站以及紫金山实验室6G TKμ极致连接无线传输平台。

该成果发表于《固态电路》期刊(IEEE Journal of Solid-State Circuits, 2022, 57: 2702-2718)。(文:半导体学报)

(a) 5G毫米波四通道相控阵收发系统射频前端芯片系统架构;(b) 芯片显微照片。

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