南京大学团队在二维半导体领域取得关键突破

经过近十年的发展，二维电子学已经取得了巨大进步，但在大面积单晶制备、关键器件工艺、与主流半导体技术兼容性等方面仍存在挑战。

南京大学电子科学与工程学院王欣然教授课题组聚焦上述问题，研究突破二维半导体单晶制备和异质集成关键技术，为后摩尔时代集成电路的发展提供了新思路。相关研究成果近期连续发表在Nature Nanotechnology上。

半导体单晶材料是微电子产业的基石。与主流的12寸单晶硅晶圆相比，二维半导体的制备仍停留在小尺寸和多晶阶段，开发大面积、高质量的单晶薄膜，是迈向二维集成电路的第一步。然而，二维材料的生长过程中，数以百万计的微观晶粒随机生成，只有控制所有晶粒保持严格一致的排列方向，才有可能获得整体的单晶材料。

蓝宝石是半导体工业界广泛使用的一种衬底，在规模化生产、低成本和工艺兼容性方面具有突出的优势。合作团队提出了一种方案，通过改变蓝宝石表面原子台阶的方向，人工构筑了原子尺度的“梯田”。

利用“原子梯田”的定向诱导成核机制，实现了TMDC的定向生长。基于此原理，团队在国际上首次实现了2英寸MoS2单晶薄膜的外延生长。

得益于材料质量的提升，基于MoS2单晶制备的场效应晶体管迁移率高达102.6 cm2/Vs，电流密度达到450 μA/μm，是国际上报道的最高综合性能之一。同时，该技术具有良好的普适性，适用于MoSe2等其他材料的单晶制备，该工作为TMDC在集成电路领域的应用奠定了材料基础。

大面积单晶材料的突破使得二维半导体走向应用成为可能。在第二个工作中，电子学院合作团队基于第三代半导体研究的多年积累，结合最新的二维半导体单晶方案，提出了基于MoS2 薄膜晶体管驱动电路、单片集成的超高分辨Micro-LED显示技术方案。

Micro-LED是指以微米量级LED为发光像素单元，将其与驱动模块组装形成高密度显示阵列的技术。与当前主流的LCD、OLED等显示技术相比，Micro-LED在亮度、分辨率、能耗、使用寿命、响应速度和热稳定性等方面具有跨代优势，是国际公认的下一代显示技术。然而，Micro-LED的产业化目前仍面临诸多挑战。

首先，小尺寸下高密度显示单元的驱动需求难以匹配。其次，产业界流行的巨量转移技术在成本和良率上难以满足高分辨率显示技术的发展需求。特别对于AR/VR等超高分辨应用，不仅要求分辨率超过3000PPI，而且还需要显示像元有更快的响应频率。

合作团队瞄准高分辨率微显示领域，提出了MoS2 薄膜晶体管驱动电路与GaN基Micro-LED显示芯片的3D单片集成的技术方案。团队开发了非“巨量转移”的低温单片异质集成技术，采用近乎无损伤的大尺寸二维半导体TFT制造工艺，实现了1270 PPI的高亮度、高分辨率微显示器，可以满足未来微显示、车载显示、可见光通讯等跨领域应用。

其中，相较于传统二维半导体器件工艺，团队研发的新型工艺将薄膜晶体管性能提升超过200%，差异度降低67%，最大驱动电流超过200 μA/μm，优于IGZO、LTPS等商用材料，展示出二维半导体材料在显示驱动产业方面的巨大应用潜力。

该工作在国际上首次将高性能二维半导体TFT与Micro-LED两个新兴技术融合，为未来Micro-LED显示技术发展提供了全新技术路线。

上述工作分别以 “Epitaxial growth of wafer-scale molybdenum disulfide semiconductor single crystals on sapphire” （通讯作者为王欣然教授和东南大学王金兰教授）和 “Three dimensional monolithic micro-LED display driven by atomically-thin transistor matrix” （通讯作者为王欣然教授、刘斌教授、施毅教授和厦门大学张荣教授）为题， 近期在线发表于Nature Nanotechnology。

据了解，14纳米及14纳米以上制程的半导体芯片可满足70%的市场需求。我国在2021年实现并初步完成了28纳米芯片的自主化生产。没过多久，业界便传来14纳米芯片将在2022年年底实现量产的消息。

我是柏柏说 科技 ，资深半导体 科技 爱好者。本期为大家带来的是：国产半导体将在2022年年底实现14纳米芯片的自主化量产。

老规矩，开门见山。2021年6月23日，环球网消息。中国电子信息产业发展研究院，电子信息研究所所长 温晓君 在接受采访时表示：“ 我国将在2022年底完成14纳米制程的攻坚，完成14纳米制程芯片的量产 ”。

在这里穿插一点：或许是意识到自己无法阻拦我国芯片制程的发展，ASML近期提高了自家中端光刻机的售价。讽刺的是，ASML刚对自家的中低端光刻机降价，紧接着又对自家的中端光刻机提价，其意图不言而喻。

值得一提的是：结合我国近些年来对半导体行业的大力扶持，国产半导体厂商在芯片代工、集成电路领域中的突破。早先业界人士预测， 28纳米将是国产芯片代工行业的制程新起点，28纳米与14纳米制程预计在2021年、2022年实现。

事实上，我国的确在2021年实现了28纳米制程的突破，如今业界有关于14纳米制程的预测，也得到了温晓君的确定。种种迹象表明，国产14纳米芯片真的要来了。我国破冰14纳米制程，将给国产半导体行业带来哪些改观呢？

首先我们要弄明白目前半导体市场的趋势。虽说比起7纳米、5纳米制程，14纳米制程比较落后。但在硅基半导体市场中， 14纳米、28纳米制程依旧是主流。 目前 14纳米及14纳米以上制程的半导体芯片，占据整个半导体市场的70%。 毕竟智能 汽车 、智能家居等中低端半导体制程芯片占据了大部分的芯片市场。

即便不谈14纳米制程的半导体芯片，单是我国在今年掌握的28纳米制程芯片便占据了近半的芯片市场，28纳米制程也被业界称为“黄金线”制程。

据了解，目前大多数的中低端5G芯片，其采用的工艺大多都是14纳米、12纳米。补充一点，12纳米与14纳米之间的差距并不大，类似于台积电的5纳米与4纳米之间的区别，只是在工艺上，晶体管排序上做出了优化。即12纳米是14纳米制程的改进版，其设备并未做出太大改变。

也就是说，华为的5G麒麟中低端处理器芯片，有望在明年实现量产。尽管不能解决华为在高端制程领域中的“芯”疾，至少可以在一定程度上缓解华为在中低端消费者领域中的压力。不只是华为代表的智能手机领域，在PC端市场中，以龙芯、飞腾为代表的PC端市场，也会因此受益。

例如龙芯采用自研指令集架构“loong Arch”制成的龙芯3A5000处理器芯片，14纳米制程足够满足国内大多数PC端厂商的需求。而且不同于手机处理器这种高精密芯片，PC端芯片对于制程的要求要缓和一些。也就是说,，由14纳米、12纳米代工制成的PC端芯片，可以满足大多数的日常工作需要。

温晓君介绍，目前我们在14纳米制程上已经攻克了大多数的难题，刻蚀机、薄膜沉积等关键技术设备都实现了从无到有的突破，并已投入供应链使用。此外，有关封装集成技术方面的突破，我国实现了全面量产。光刻胶、抛光剂等上百种材料也进入了批量销售。以上成果可以助力我国摆脱国外技术限制，实现国产集成电路的全产业链覆盖。

我国成功攻坚14纳米项目，有助于我们更好地对抗国外半导体行业的打压。虽说我们与国外先进半导体制程之间的距离比较大，但路是一步一步走的。目前我们的主要任务是确保自己在半导体领域中不会被主流技术落下。因为在确保市场营收的基础上进军高端技术行业，显然是更好地选择。

北京君正公司是国内稀缺的存储芯片领军企业，拥有者自己的核心技术。下面就其四大核心技术，做一下了解。

北京君正主要提供：32位MCU；应用范围：可穿戴式设备、物联网、智能家电、汽车、费类电子、平板电脑。主营微处理器芯片和智能视频芯片。

北京君正（Ingenic）其核心技术主要包括CPU技术、VPU技术、Image技术、AI技术。

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国产微处理器倡导者。独创 Xburst CPU 技术XBurst 是一个全新的 32 位 RISC CPU 技术，其性能、多媒体能力、功耗和尺寸等各种规格指标处于业界领先地位。在同样工艺下，XBurst运算性能提高 80%以上，多媒体能力提高 100%以上，功耗节省 70%，尺寸节省 50%。

Ingenic VPU技术：君正VPU团队专注视频编解码多年，紧跟国际先进视频格式研究进展，打造君正自主的VPU技术。结合消费类和安防监控等行业的实际应用，通过深入研究算法和精细硬件设计，提供低功耗、高性能、高压缩率的视频编解码能力。

Ingenic Image技术：针对安防监控和泛视频行业的特点，君正已经陆续推出并在多款芯片上落地了Tiziano 1.0，Tiziano 2.0和Tiziano 3.0，成像质量不断的提升。同时得益于公司出色的IP设计能力和功耗控制技术，Tiziano的成本和性能具有强大的竞争力。

Ingenic AI技术：人工智能近年来随着深度学习技术的快速突破迎来了一个新的爆发， 并作为一种通用计算技术与各行各业快速融合，在全球范围内引发全新的产业浪潮。

君正AIE架构层面兼顾计算效能与灵活性，在高算力的基础上衍伸了可编程能力，以适配灵活多变与快速发展的神经网络结构， 低比特量化技术则进一步强化了君正AIE的低功耗与低带宽AI计算能力。

由此可见，北京君正拥有的核心技术，奠定了其半导体行业中的地位，其中一部分的核心技术可以说是并购而来的。

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