2023年度中国半导体十大研究进展

MEMS 2024-02-08 00:01

示波器的最低带宽多少？ 精密双向电流传感放大器，提供精准测量

《半导体学报》于2020年首次启动“中国半导体十大研究进展”评选活动，旨在遴选、记录我国在半导体基础研究领域的年度标志性成果。经过四年的积累和沉淀，“十大评选”收获了半导体领域专家、学者的广泛瞩目和高度认可，同时也被赋予了更为深远的意义。

2023年，第四届“中国半导体十大研究进展”评选活动共有54项成果获得候选推荐资格。2024年1月底，由243位半导体领域专家组成的评选委员会经过严格评审，评选出10项优秀成果荣膺2023年度“中国半导体十大研究进展”；10项优秀成果荣获2023年度“中国半导体十大研究进展”提名奖。

热烈祝贺各位获奖者！衷心感谢专家评委及国内外专家学者的大力支持！2024年，《半导体学报》将接续奋斗、锐意进取，向着国际卓越的半导体领域旗帜性期刊的目标砥砺前行！祝愿中国半导体研究攻坚克难，谱写高质量发展的新篇章！祝愿大家新年愉快，皆得所愿！

2023年度“中国半导体十大研究进展”

（点击成果名称即可查看详情；排名不分先后）

接近衬底级晶体质量的氮化物宽禁带半导体异质外延薄膜

北京大学沈波、许福军团队针对大失配异质外延导致氮化物宽禁带半导体高缺陷密度的难题，创新发展了一种基于纳米图形化AlN/蓝宝石模板的“可控离散和可控聚合”侧向外延方法，使蓝宝石衬底上AlN外延薄膜位错腐蚀坑密度大幅降低了两个量级，至~10⁴ cm^-2，实现了接近衬底级晶体质量的AlN外延薄膜，并应用于相关器件研制。

该成果发表于《自然·材料》杂志（Nature Materials, 2023, 22: 853–859）。

高质量AlN外延薄膜控制动力学及其应用。

超高集成度光学卷积处理芯片

中国科学院半导体研究所李明研究员-祝宁华院士团队借助空-时变换结合波分复用技术，采用多模干涉机理，成功研制了一款超高集成度光学卷积处理芯片，创造了目前光计算芯片最高算力密度记录，该芯片调控单元数量随矩阵规模呈线性增长，有效缓解了光计算芯片规模扩展的难题，为解决光计算芯片大规模集成探索了一个新的方向。

该成果发表于《自然·通信》杂志（Nature Communications, 2023, 14: 3000）。

超高集成度光学卷积处理芯片。

单原子层MoS₂接触电阻接近量子极限

王欣然（南京大学/苏州实验室）、施毅（南京大学）和王金兰（东南大学）教授带领的合作团队提出能带杂化增强欧姆接触新机理，利用半金属

接触，成功将单原子层MoS₂接触电阻降低至42 Ω·μm，首次低于化学键结合的硅基器件并接近理论量子极限，进而实现了单层二维半导体晶体管最高电流记录。

该成果发表于《自然》杂志（Nature, 2023, 613: 274–279），同时入选了ESI热点和高被引论文。

首例外延高κ栅介质集成型二维鳍式晶体管

北京大学彭海琳教授团队实现了世界首例二维半导体鳍片/高κ栅氧化物异质结阵列的外延生长及其三维架构的异质集成，并研制了高性能二维鳍式场效应晶体管（2D FinFET）。该原创性工作突破了后摩尔时代高速低功耗芯片的二维半导体/高κ栅介质精准合成与新架构三维异质集成瓶颈，为开发未来先进芯片技术带来新机遇。

该成果发表于《自然》杂志（Nature, 2023, 616: 66–72）。

首例外延高κ栅介质集成型二维鳍式晶体管（2D Bi₂O₂Se/Bi₂SeO₅ FinFET）。

超越硅极限的弹道二维晶体管

北京大学彭练矛院士、邱晨光研究员团队构筑了10纳米弹道二维硒化铟晶体管，创造性的开发了稀土元素钇掺杂诱导二维相变技术，首次推进二维晶体管实际性能超过业界先进节点硅基Fin晶体管和IRDS预测的硅极限，并且将二维晶体管的工作电压降到0.5 V，室温弹道率达83%，为国际上迄今速度最快能耗最低的二维半导体晶体管。

该成果发表于《自然》杂志（Nature, 2023, 616: 470–475）。

弹道二维硒化铟晶体管器件结构、性能优势和芯片展望。

柔性单晶硅太阳电池

中国科学院上海微系统与信息技术研究所刘正新、狄增峰团队针对传统单晶硅太阳电池易碎的缺陷，通过介观对称性结构设计，开发了边缘圆滑处理技术，在国际上率先发明了柔性单晶硅太阳电池技术，实现了力学韧性和抗震性的跨越式提升，制备的轻质柔性组件成功应用于临近空间飞行器，将极大地开辟单晶硅太阳电池新的应用领域。

该成果以杂志封面形式发表于《自然》杂志（Nature, 2023, 617: 717–723）。

工业尺寸柔性单晶硅太阳电池。

新型感存算一体光电探测器

中国科学院上海技术物理研究所红外科学与技术重点实验室胡伟达、苗金水研究团队在国际上首次提出了基于离子-电子耦合效应的感存算一体光电探测器，通过模拟人类视觉感知架构，实现了感知端光电信息处理功能，可解决红外感知分立架构产生的延迟和功耗问题，为大规模硬件集成感存算光电感知芯片及其目标识别应用奠定了基础。

该成果发表于《自然·纳米技术》杂志（Nature Nanotechnology, 2023, 18: 1303–1310）。

全球首款可片上学习的忆阻器存算一体芯片

清华大学钱鹤、吴华强研究团队在国际上首次实现了全系统集成、支持高效片上学习的忆阻器存算一体芯片，通过一种基于符号和阈值的权重更新算法及硬件架构，解决了传统CMOS电路与忆阻器适配性差的问题，并使芯片在增量学习任务中的功耗仅有传统硬件的1/35，为边缘端人工智能硬件平台提供了一种新的高能效解决方案。

该成果发表于《科学》杂志（Science, 2023, 381: 1205–1211）。

光电全模拟智能计算芯片

清华大学戴琼海、方璐、乔飞、吴嘉敏合作攻关，建立了大规模可重构光电智能计算架构，结合光计算和模拟电子计算技术，突破传统芯片架构中数据转换速度、精度与功耗相互制约的瓶颈，研制了全模拟光电智能计算芯片ACCEL。与现有高性能芯片相比，算力提升千倍，能效提升百万倍。该芯片将在无人系统和智能大模型等实现应用。

该成果发表于《自然》杂志（Nature, 2023, 623: 48–57）。

可重构数字存算一体AI芯片

清华大学尹首一教授、魏少军教授及香港科技大学涂锋斌教授团队提出可兼顾能效、精度和灵活性的AI芯片新范式——可重构数字存算一体架构，设计出国际首款面向通用云端高算力场景的存算一体AI芯片ReDCIM（Reconfigurable Digital Computing-In-Memory）。该芯片首次在存算一体架构上支持高精度浮点与整数计算，可满足数据中心级的云端AI推理和训练等各种应用场景需求。

该成果发表于集成电路领域顶级期刊IEEE Journal of Solid–State Circuits（JSSC, Volume: 58, Issue: 1, January 2023）。

可重构数字存算一体AI芯片ReDCIM的显微照片、核心技术、与同期研究对比。

2023年度“中国半导体十大研究进展”提名奖

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在双层半导体量子阱中揭示激子分数量子霍尔态

成果论文：Excitonic topological order in imbalanced electron–hole bilayers. Nature, 2023, 619: 57–62

论文作者：Rui Wang, Tigran A. Sedrakyan, Baigeng Wang, Lingjie Du & Rui-Rui Du

首例基于拓扑保护的半导体手性光子源芯片

成果论文：Topology-induced chiral photon emission from a large-scale meron lattice. Nature Electronics, 2023, 6: 516–524

论文作者：Xuefeng Wu, Xu Li, Wenyu Kang, Xichao Zhang, Li Chen, Zhibai Zhong, Yan Zhou, Johan Åkerman, Yaping Wu, Rong Zhang & Junyong Kang

一种CMOS兼容的低矫顽场三方相铁电Hf(Zr)_1+xO₂材料

成果论文：A stable rhombohedral phase in ferroelectric Hf(Zr)_1+xO₂ capacitor with ultralow coercive field. Science, 2023, 381: 558–563

论文作者：Yuan Wang, Lei Tao, Roger Guzman, Qing Luo, Wu Zhou, Yang Yang, Yingfen Wei, Yu Liu, Pengfei Jiang, Yuting Chen, Shuxian Lv, Yaxin Ding, Wei Wei, Tiancheng Gong, Yan Wang, Qi Liu, Shixuan Du & Ming Liu

光化学键合实现半导体3D纳米打印

成果论文：3D printing of inorganic nanomaterials by photochemically bonding colloidal nanocrystals. Science, 2023, 381: 1468–1474

论文作者：Fu Li, Shao–Feng Liu, Wangyu Liu, Zheng-Wei Hou, Jiaxi Jiang, Zhong Fu, Song Wang, Yilong Si, Shaoyong Lu, Hongwei Zhou, Dan Liu, Xiaoli Tian, Hengwei Qiu, Yuchen Yang, Zhengcao Li, Xiaoyan Li, Linhan Lin, Hong–Bo Sun, Hao Zhang & Jinghong Li

可重构相干纳米激光阵列

成果论文：Reconfigurable moire nanolaser arrays with phasesynchronization. Nature, 2023, 624: 282–288

论文作者：Hong-Yi Luan, Yun-Hao Ouyang, Zi-Wei Zhao, Wen–Zhi Mao & Ren-Min Ma

半导体黑磷的超快瞬时能带调控

成果论文：Pseudospin-selective Floquet band engineering in black phosphorus. Nature, 2023, 614: 75–80

论文作者：Shaohua Zhou, Changhua Bao, Benshu Fan, Hui Zhou, Qixuan Gao, Haoyuan Zhong, Tianyun Lin, Hang Liu, Pu Yu, Peizhe Tang, Sheng Meng, Wenhui Duan & Shuyun Zhou

先进节点碳基集成电路

成果论文：Scaling aligned carbon nanotube transistors to a sub-10 nm node. Nature Electronics, 2023, 6: 506–515

论文作者：Yanxia Lin, Yu Cao, Sujuan Ding, Panpan Zhang, Lin Xu, Chenchen Liu, Qianlan Hu, Chuanhong Jin, Lian–Mao Peng & Zhiyong Zhang

基于存算一体硬件的无线数据传输系统

成果论文：Parallel in-memory wireless computing. Nature Electronics, 2023, 6: 381–389

论文作者：Cong Wang, Gong-Jie Ruan, Zai-Zheng Yang, Xing–Jian Yangdong, Yixiang Li, Liang Wu, Yingmeng Ge, Yichen Zhao, Chen Pan, Wei Wei, Li–Bo Wang, Bin Cheng, Zaichen Zhang, Chuan Zhang, Shi-Jun Liang & Feng Miao

一款基于环形放大器的10毫瓦、10位有效位、1G采样率的模数转换器

成果论文：A 10-mW 10-ENoB 1-GS/s ring-amp-based pipelined TI-SAR ADC with split MDAC and switched reference decoupling capacitor. IEEE Journal of Solid-State Circuits, 2023, 58: 3576–3585

论文作者：Mingtao Zhan, Lu Jie, Yi Zhong & Nan Sun

应用于高速无线通信的硅基220 GHz滑动中频收发芯片组

成果论文：A 220-GHz sliding-IF quadrature transmitter and receiver chipset for high data rate communication in 0.13-μm SiGe BiCMOS. IEEE Journal of Solid-State Circuits, 2023, 58: 1913–1927

论文作者：Zekun Li, Jixin Chen, Huanbo Li , Jiayang Yu, Yuxiang Lu, Rui Zhou, Zhe Chen & Wei Hong

延伸阅读：
《先进半导体封装技术及市场-2023版》
《人工智能（AI）芯片技术及市场-2023版》
《汽车半导体技术及市场-2023版》