面向1nm制程的二维半导体材料与集成电路

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成果单位：北京科技大学

合作方式：面议

所处阶段：其他

关键词： 1nm制程二维半导体集成电路先进制程芯片二硫化钼高迁移率晶体管Pseudo-CMOS低静态功耗

成果评价

总得分（满分100）

资本强度（满分0）

该成果得分：0

团队介绍

北京科技大学前沿交叉科学技术研究院，由张跃院士领衔，在面向先进制程二维半导体材料与器件基础理论、制备技术和集成工艺等方面做出了系统性、创新性贡献；团队承担了科技部、国家自然科学基金委员会、JKW、教育部等科技攻关项目75项，项目总经费达10.88亿元；牵头组织了北京大学、清华大学、南京大学、复旦大学、湖南大学、香港科技大学、国家纳米科学中心、中国科学院物理所和化学所等国内一流研究团队，率先开展了面向先进制程二维半导体材料与器件的前沿基础研究，提出了与硅基工艺兼容的二维半导体材料技术路线，建立了面向1nm先进制程的二维半导体材料发展规划蓝图，初步完成了该技术路线实验室验证工作；出版了全球首部系统阐述二维半导体材料及其范德华异质结基础与应用的英文专著；在Nature、Nature Mater.、Nature Nanotech.、Nature Electron.等期刊发表学术论文450余篇；授权中国专利100余项，美国专利1项；出版中文专著8部、英文专著5部；以第一完成人获国家自然科学二等奖1项、省部级科技成果一等奖3项、省部级教学成果一等奖2项。

小果解读

核心问题

随着半导体制程技术不断逼近物理极限，传统硅基材料在1nm及以下制程中面临严重挑战，包括短沟道效应、量子隧穿效应等，导致芯片性能提升受限，功耗急剧增加。我国作为芯片消费大国，亟需探索新材料、新架构以突破先进制程技术瓶颈，解决芯片产业“卡脖子”问题。

解决方案

张跃院士团队创新性地将二维半导体材料引入集成电路领域，建成了国内首个6英寸二维半导体材料与器件试验线。通过精准控制材料生长，制备出全球最大单晶、单层二硫化钼，显著提升了材料的电学性能。同时，团队提出Pseudo-CMOS新架构，优化了器件结构，有效降低了静态功耗。研制的二维半导体逻辑器件迁移率全球领先，且静态功耗仅为同类商用器件的2%，为先进制程芯片提供了全新的材料与技术路径。

竞争优势

该技术成果在二维半导体材料与集成电路领域具有显著的创新性和竞争优势。通过突破传统硅基材料限制，为1nm及以下制程芯片提供了可行的材料解决方案。Pseudo-CMOS新架构的提出，进一步优化了器件性能，降低了功耗。此外，国内首个6英寸试验线的建成，标志着我国在二维半导体材料与芯片集成技术方面已具备国际领先水平，为打造先进制程芯片二维半导体材料中国赛道奠定了坚实基础，有望推动我国芯片产业实现跨越式发展。

成果描述

成果公开日期

20250327

所属产业领域

新一代信息技术-先进制程集成电路半导体材料

产品设计方案

（1）研制出全球最大单晶2英寸二硫化钼晶圆，实现了工业兼容的8英寸二维半导体材料晶圆制备；（2）率先提出了同质结负载型“Pseudo-CMOS”逻辑反相器新架构，研制出亚皮瓦级超低静态功耗逻辑电路；（3）建成的6英寸二维半导体实验线是国内第一条二维半导体材料实验线。

市场分析

在行业领域的水平：团队在二维半导体材料生长、器件构筑和电路集成方面取得的成果具有国际领先水平，是我国开辟先进制程集成电路二维半导体材料新赛道，抢占未来集成电路关键核心技术话语权，破解卡芯片脖子问题的重要保障和支撑。

当前进展

主要功能：（1）六英寸向下兼容二维半导体材料与器件制造实验线，具备材料制备、器件加工、性能测试的全链条服务能力。实验线共有设备100余台套，具备晶圆材料制备、薄膜沉积、曝光与刻蚀等全链条加工工艺，以及半导体材料结构、物性测量，电子与光电器件输运等分析测试能力，提供工艺验证平台。（2）8英寸二维半导体材料制备平台实验线拥有二维半导体材料化学气相沉积系统、8英寸金属有机化学气相沉积系统（MOCVD）等材料制备装备。具备2英寸单晶、单层二硫化钼、8英寸多晶单层二硫化钼的供货能力。（3）6英寸二维半导体器件加工平台具备多种金属电极沉积能力，可以实现百纳米精度光刻和50nm电子束曝光。具备二维半导体6T SRAM 加工能力。（4）二维半导体材料分析测试平台具备拉曼光谱、X射线荧光光谱、原子力显微镜、扫描电子显微镜、扫描隧道显微镜、透射电子显微镜等分析表征设备。-核心技术：（1）高质量单层、单晶二维半导体材料。目前已报到的世界上生长速度最快、最大单晶晶畴二维半导体材料。与硅基工艺兼容的8英寸二维半导体材料制备装备与技术。（2）高性能、低功耗二维半导体材料晶体管器件阵列与逻辑电路阵列。

转化现有基础

落地应用：高质量二维半导体材料、制备装备、转移技术等方面正在开展应用探索。

摘要

随着先进制程芯片正在逼近尺寸微缩极限，发展非硅材料新赛道是全球抢占的前沿战略高地。张跃院士团队聚焦二维半导体材料与芯片集成技术，建成了国内首个6英寸二维半导体材料与器件试验线，制备出了全球最大单晶、单层二硫化钼，研制出被美国“2D devices Trends”收录的全球最高迁移率晶体管，提出了Pseudo-CMOS新架构，研制出静态功耗仅为同类商用器件2%的二维半导体逻辑器件，为打造先进制程芯片二维半导体材料中国赛道，破局我国芯片卡脖子问题打下了坚实基础。