推動後摩爾芯片元器件突破：清華學者多維度探索芯片基礎問題，基於新材料研發全適配器件
在過去半個多世紀，集成電路技術開創了摩爾時代，如今芯片晶體管密度已達到億量級每平方毫米。我們在材料、工藝、器件、集成、架構、生態六大技術引擎驅動下，獲得了摩爾浪潮。
實際上，早在十幾年前，人們已經意識到摩爾定律失效的器件瓶頸問題。隨着近年來 AI 技術的高速發展，人們對算力提出了更高的要求。
需要了解的是，芯片算力與單器件算力、晶體管密度、單芯片面積和單芯片集成度密切相關。
因此，在後摩爾時代，通過全新原理、全新架構的新型元器件提升芯片的單器件算力和芯片集成度，有望成爲短期內提升算力的有效解決方案之一。
清華大學材料學院副教授、北京市集成電路高精尖創新中心研究員王琛致力於芯片硬科技的研究，從芯片新材料基礎物性與後摩爾芯片兩個端口，推動人工智能時代的最關鍵底層技術發展。
他致力於多維度開展後摩爾芯片系統性基礎研究和融合性應用研究，涵蓋半導體異質界面強場輸運行爲與超快動力學、新型半導體異質界面、芯片互聯材料、下一代半導體工藝、新原理高性能器件、多源異質集成微系統和新一代芯片等研究方向。
憑藉從“原理-材料-器件-集成-芯片”五個維度開展芯片硬科技基礎問題探索和技術圖譜繪製，基於新材料研發全適配器件，高效推動後摩爾芯片的突破，王琛成爲 2023 年度《麻省理工科技評論》“35 歲以下科技創新 35 人”中國入選者之一。
高效推動後摩爾芯片突破
芯片產業的發展是一個動態變化的過程。最初，領域內的問題是器件尺寸不夠小、芯片速度不夠快，電子速度可被認定爲是恆定的，隨着摩爾定律發展，晶體管不斷地縮小。
很快研究人員就發現，當速度提升後，承載着驅動和輸出電信號的載體互聯材料和互聯架構性能，跟不上摩爾定律發展的速度。
王琛指出，到現階段，整個芯片的快慢已經不僅僅是由晶體管的速度決定的，而很大程度上轉變爲由芯片互聯繫統的延遲決定。
20 世紀 70 至 80 年代，領域內最初使用的互聯材料是鋁，但其在電流密度高的條件下，存在着高電遷移、結晶穿刺等一系列問題。
20 世紀末，IBM 提出了一種創新的方案：用銅作爲芯片的互聯材料。摩托羅拉、臺積電等將銅引進並將其在 0.18um 節點產業化後，驗證了銅能夠讓芯片的能耗降低、速度提升，並且具備很強的技術潛力。
圖丨後摩爾時代芯片互連新材料及工藝革新技術路線圖譜[1]（來源：SCIENTIA SINICA Chimica）
爲解決後摩爾時代芯片互聯材料在納米尺度的強量子效應，王琛與課題組通過探索銠、鉬等合金的特異性能，發展出適用於後摩爾芯片納米尺度互聯新材料體系（如光互聯、超導材料互聯等）和工藝方案，並開展相關的技術前沿驗證。
最近，王琛與團隊在原理上通過太赫茲光譜和強場輸運等的方法，探究新材料在量子尺度的動力學行爲，並反饋到新材料基礎物性的定製中，進而通優化器件架構和集成技術，實現特種芯片的技術優勢顯現。
相關技術有望在新型量子界面相調製器件、面內輸運激子學器件、超靈敏 DNA 感知器件等研究方向嶄露頭角。
圖丨從基於超快動力學的光電磁融合測試技術揭示後摩爾元器件新原理[2]（來源：Light: Science and Applications）
通過發展高度可集成的硅通孔材料和工藝，王琛與團隊實現了晶圓級多模式的立體多源異構集成微系統芯片的技術突破。
並且，開發了針對多種化工和環境場景的高集成度多模式環境感知微系統芯片，爲新一代高性能芯片的超高集成難題提供全新解決方案。
在芯片器件三維高密度集成領域，王琛通過發展新型的中間結層設計和工藝方案提升帶寬，突破了存儲器件三維集成的層級限制和領域商業化瓶頸。
基於該技術和相關研究，獲得了英特爾特別貢獻獎（Group Recognition Award），獲獎理由爲“領導和發展了有史以來第一次基於三階 3D 閃存芯片的器件擦除技術”。
需要了解的是，應用於自動駕駛或 AI 的芯片需要很強的可配置性和定製化，其包括很多不同的模組、不同應用和不同的用戶。
王琛表示，多層級芯片的 3D 化芯粒技術能夠將不同的模塊靈活地組合，並實現整個芯片的快速交付。
無論是邏輯、存儲，還是傳感、通信、智能化 AI 芯片，都可以用垂直堆疊和水平拓展的方式進行芯片組合，而無需開發新的芯片，這對加速應用和多場景定製化落地十分有利。
從夢想成爲科學家到走上科研之路
王琛生於青城內蒙古呼和浩特，成長於草原鋼城內蒙古包頭，父母都是資深技術人員。
着迷於重工業的雄壯力量和宏大而又精妙的工業設計的他，從小就對機械、自動化、材料、化工、電子都領域形成直觀的認識。因此，逐步產生了成爲科學家的夢想。
王琛的科研興趣從本科物理學習階段開始啓蒙，他就讀於武漢大學物理學基地班，師從廖蕾教授和肖巍教授，積累了豐富的實驗凝聚態物理學和理論計算物理學技能。
本科期間，他對基於石墨烯和無損柵極介電材料的新型晶體管進行研究，實現了遷移率和電流密度性能的突破。並且，以專業排名第一的成績畢業，獲得國家獎學金和優秀畢業生。
圖丨王琛在中國科技青年論壇演講（來源：DeepTech）
隨後，王琛到美國加州大學洛杉磯分校攻讀博士學位，研究方向爲微納電子器件，博士導師爲段鑲鋒教授和黃昱教授。得益於本科期間紮實的物理基礎，他在博士期間發表 20 餘篇高影響論文。
在博士二年級，王琛以共同一作身份在 Nature Nanotechnology 發表論文[3]，發明了一種率先實現的單原子層半導體橫向異質結，代表了當時器件領域的前沿突破。
該研究被業內評爲“新結構器件的里程碑工作”，截至目前，相關論文已引用 1200 餘次。王琛表示：“博士期間高水平科研訓練和前沿領域認知讓我受益匪淺，這也是我走上高水平科研創新之路的基礎。”
香港城市大學講席教授張華在綜述中評論道：“橫向異質結器件由於每個組分具有限定的 p 型或者 n 型特徵，因而具備理想的二極管異質結特性，並且是研究光電器件的理想平臺[4]。”
此外，王琛還報道了一種全新的原子層半導體分子超晶格的全新材料體系，爲攻克新型高性能半導體器件研製的材料瓶頸提出全新的解決方案[5]。
由於這是一個非常交叉和前沿的課題，整個項目做實驗過程中幾乎所有的測試方法、測試平臺都需要從零搭建。
電化學動力學精確控制和離子柵晶體管漏電控制這些看似平常的問題，需要 3 個月甚至更久的實驗優化，王琛通過一點點改進設備來解決。
他回憶道：“就連普通的高分辨透射電子顯微鏡圖像，由於材料體系的複雜都成像困難，在黑漆漆的電鏡房間，我和合作同學調試了近百小時。”
幾經波折，論文最終發表在 Nature，成爲他博士期間的“收官之作”。
美國國家科學院院士、美國斯坦福大學崔屹教授等人在一篇綜述中，強調了發展原子層半導體-分子超晶格器件研究中“原位光電-電化學動力學過程平臺”的重要意義[6]。
圖丨全新的原子層半導體-分子超晶格器件（來源：Nature）
爲儘快推動芯片產業創新，王琛在博士畢業後，分別在美國硅谷任職於英特爾和泛林半導體等知名芯片公司，作爲高級研究員和項目組長，負責多代高性能芯片核心研發，具有高端芯片器件/架構設計、材料、工藝集成、流片驗證和良率提升方面的研發能力。
他表示：“這些工作經歷讓我具備從基礎研究到面向芯片產業的創新思維，並從宏觀上了解產業化芯片從 0 到 1 的全過程，成功的產品是極度複雜的系統工程，而不是做單一的工藝或技術。”
疫情期間克服重重困難，基於對創新的熱愛和追求學術研究更大的自由度，帶着解決國家“卡脖子”難題的志向，作爲新材料與固體電子交叉領域科學家加入清華大學。
“兒時成爲科學家的夢想，在機緣巧合下竟然成真了。”王琛感嘆道。
用種子技術打造企業可用的“多邊形戰士”
不僅成立獨立課題組 NEXT Lab，爲打破芯片研究實驗室（Lab）與半導體制造工程（Fab）之間的壁壘，王琛還創建了具有鮮明特色的 NEXT Mini-Fab。
通過發展多層次遞進性的系統性基礎研究和融合性應用研究，基於新材料、新原理器件和新工藝的後摩爾芯片研究。
“在清華，與跟隨式的研究相比，我更想也更需要去做那些具有原始創新的前沿探索研究。如果科技是一顆大樹，我認爲只有根扎得深了，日後它的枝幹纔會繁茂。”王琛說。
目前，領域內對於芯片的很多最基礎的物理特性、機理等方面瞭解尚未明晰。因此，他與團隊通過探索基本的物理參數、動力學行爲探究材料和器件高性能的本質，來判定後摩爾元器件的技術潛力。
不同於基礎研究的單點突破，王琛的產業工作經驗使他十分了解企業的實際需求。因此，從研究設計開始，就以體系化思路進行推進，從而打造適合企業技術銜接的“多邊形戰士”。
據瞭解，目前，王琛實驗室已建成一條特種芯片試驗生產線。研究人員會在實驗室把原型芯片製備出來，並與同類芯片直接對比效能，從而更加符合和貼近技術原創、技術發展和技術落地的需求。
“爲此，我們也在構建關鍵芯片器件技術路線圖譜，從理論工作機制方面進行創新。希望通過發展一系列種子技術，能夠針對特定後摩爾芯片領域給出最佳器件技術方案。”王琛說。
圖丨王琛（第一排）與課題組部分成員（來源：王琛）
據介紹，王琛團隊已與國內多個行業領頭公司進行技術合作，並獲得多項獨立和聯合專利，未來期望能夠通過原創新一代器件技術，推動高效能定製化芯片的開發和應用落地。
主要服務於後摩爾元器件原理性探索，應用場景包括：高效能智能計算芯片、特定領域的生物檢測芯片、綜合環境感知芯片、定製化的存儲芯片、光電融合異構芯片等。
他認爲，技術的突破往往具有非線性，在後摩爾時代，新一代器件技術勢必催生全新的高效能人機芯片和高效能智能芯片。“未來，全智能芯片將極大地擴展人類的認知，改變人類的生活方式，顛覆人與人、人與自然的交互。”
下一步，王琛計劃帶領團隊擴大新材料在當前芯片中的試用比例，並開展更大規模的流片測試，爭取以三年爲週期迭代發展具有廣闊技術潛力和產品潛力的後摩爾芯片原型樣機。
參考資料：
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).
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