【复材信息】里程碑！复旦大学，Nature！

04-12 06:36

选题背景

二维(2D)半导体是指由于其在电子、光电等方面的广泛应用潜力，厚度在原子级其他半导体材料中逐渐成为研究热点。与传统的大型半导体材料相比，2D半导体具有原子级薄度高、载流子迁移率高、能带结构可调的优点，特别适用于前沿技术，如柔性电子、纳米尺度设备和量子计算。

然而，2D半导体在大规模集成、设备可靠性和制造工艺方面仍然面临许多挑战。例如，晶体管的集成度仍然有限，2D半导体的环境敏感性和界面效应可能会影响设备的性能，因此亟待解决设备优化和大规模集成的问题。

针对这一挑战，复旦大学周鹏/包文中的课题组“Nature《期刊》发表了题为“A RISC-V 32-bit microprocessor based on two-dimensional semiconductors"最新论文。该团队设计并制定了一个基于5,900个MoS2晶体管的简化指令集计算。（RISC-V）微型控制器，可执行标准的32位指令。通过协同优化2D逻辑电路的工艺流程和设计，团队成功解决了2D电路晶圆级集成中的重大挑战，完成了高性能MoS2微控制器的原型。

利用这种创意设计，2D半导体器件的集成度和功能性得到了显著提高，包括25个逻辑单元在内的完整标准单元库已经成功构建。这一结果不仅展示了2D半导体超越硅材料的潜力，也为2D集成电路技术在实际应用中的新技术路径和理论依据提供了新的依据。

研究亮点

(1)基于5,900个MoS2晶体管的简化指令集首次实现了试验。（RISC-V）微控制器，成功执行标准的32位指令。微控制器使用了完整的标准单元库，其中包含了25个逻辑单元，显示了2D半导体在数字计算中的应用潜力。

(2)通过协同优化2D逻辑电路的工艺流程和设计，实验解决了晶圆级集成中的重大挑战，成功实现了MoS2微控制器的原型。这种原型表明，在二维半导体集成电路技术方面，特别是在高性能计算和低功耗方面具有重要优势，具有超越硅材料的巨大潜力。

(3)试验还设计了2D半导体技术的标准单元库，进一步推动了二维半导体技术的工业化应用，生产率高达99.77%，为未来大型集成电路的商业化应用提供了有力支撑。

图文解读

图1.RV32-WUJI

图2.FET和逆变器

图表3.逻辑单元

图表4.核心模块

图5.RV32-WUJI的结构和设计

结论展望

这项工作意味着一个重要的里程碑，证明将二维半导体集成到大规模功能电路中是可行的。本文的实验室级制造能力使我们能够制造出由5900个MoS2晶体管组成的RISC-V微控制器，这是迄今为止基于二维半导体的最复杂的功能电路之一。

值得注意的是，整个RV32-WUJI芯片只使用n型MoS2晶体管，而且通道长度较长。与CMOS技术相比，这可能在动态性能和功耗方面有一定的局限性。对使用单极性晶体管的电路而言，通道晶体管逻辑等更合适的电路结构，可能是一种妥协解决方案。从长远来看，我们预计短通道尺寸的二维CMOS技术可以通过进一步优化加工工艺和材料来实现。到那时，二维半导体的所有潜力都将得到释放。

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