後硅基時代關鍵一步！復旦 “無極” 芯片登《Nature》正刊_風聞

近日

二維半導體芯片取得里程碑式突破！

復旦大學集成芯片與系統全國重點實驗室

周鵬、包文中聯合團隊

利用台式無掩膜直寫光刻系統- MicroWriter ML3

成功研製全球首款[1]

基於二維半導體材料的

32位RISC-V架構微處理器

“無極（WUJI）”

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引言

近年來，傳統半導體的發展愈發受制於固有物理極限，漏極誘導勢壘降低、界面散射導致的遷移率退化、半導體帶寬限制的電流開關比等問題逐漸凸顯。在此背景下，原子層厚度的二維（2D）半導體憑藉特殊的電子特性，成為突破後硅時代技術瓶頸的核心方向。

經過十餘年的技術攻堅，復旦大學集成芯片與系統全國重點實驗室周鵬、包文中聯合團隊成功研製全球首款基於二維半導體材料的32位RISC-V架構微處理器“無極（WUJI）”。這款微處理器可在 5900 個二硫化鉬（MoS₂）晶體管上執行標準 32 位指令，並構建了包含 25 種邏輯單元的完整標準單元庫。團隊創新性地將製造工藝與電路設計深度融合，材料晶圓級集成的系列難題，成功實現了 MoS₂微處理器的先驅原型，彰顯了超越硅基的二維集成電路技術的潛力。該成果以“A RISC-V 32-bit microprocessor based on two-dimensional semiconductors”為題發表在《Nature》上。

值得關注的是，RV32-WUJI 的前端工藝中，所有器件特徵結構均通過波長為 405 nm 的小型台式無掩膜激光直寫系統MicroWriter ML3完成光刻加工。該工作在4英寸的晶圓上有24個6X6 mm的WUJI芯片，設備加工速度可高達180mm2/min，支持多基片自動順序加工，確保了特徵結構的加工效率；同時，該系統無需掩膜版，可實現0.4 μm的超高線寬精度，還可靈活選用405 nm、365 nm和385 nm單一或組合光源，能夠靈活滿足科研中多樣化的光刻需求。此外，其70 cm X 70 cm X 70 cm的緊湊結構採用集成化設計，全自動控制，不僅可靠性高，操作也極為簡便。憑藉這些優勢，MicroWriter ML3為本研究晶體管和相關器件的成功製備提供了關鍵技術支持。

小型台式無掩膜直寫光刻系統- MicroWriter ML3

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精彩圖文展示

1.RV32-WUJI 無極微處理器

a，底部為在 4 英寸藍寶石晶圓上製備的 24 個 WUJI 芯片；頂部為放大的光學顯微鏡圖像，顯示單個芯片裸片，面積為 6 mm×6 mm，包含 5900 個二硫化鉬（MoS₂）晶體管，輸入輸出焊盤分佈在周邊；

b，RV32-WUJI 芯片裸片的物理佈局示意圖，各層按比例繪製，底層為在藍寶石晶圓上合成的 MoS₂；

c，OAI21、AOI22 和 1 位寄存器邏輯門單元的掃描電子顯微鏡（SEM）圖像（柵電極因柵金屬不同而偽着色），以及對應的電路原理圖和實驗測量波形；

d，晶體管溝道區域的 SEM 圖像（上）和放大的高分辨率透射電子顯微鏡圖像（下），顯示 MoS₂的原子結構。

2.場效應晶體管（FET）與反相器

反相器作為數字電路的基礎單元，其良率直接反映了芯片整體質量。與硅晶圓的直拉法生長不同，二維材料需通過化學氣相沉積（CVD）製備，易產生缺陷與不均勻性。為確定 WUJI 芯片 6 mm ×6 mm區域內反相器的良率，作者製備了一個 30×30 的反相器陣列（共900 個單元）。所有反相器的傳輸特性曲線如圖 f 所示。結果顯示，898 個反相器可正常工作，良率達 99.77%，整體噪聲容限為 0.5 V。正常工作的反相器其開關電壓分佈在 1.4 - 2.5 V 範圍內，平均增益超過 550。這一成果不僅驗證了二維材料器件的可靠性，更為先進數字邏輯電路的實現提供了堅實基礎。

a，不同柵極金屬的晶體管示意圖；

b，構成反相器的負載晶體管和驅動晶體管的轉移特性曲線，負載晶體管和驅動晶體管的數量各為 50 個；

c-e，50 個晶體管的閾值電壓（VTH）（c）、亞閾值擺幅（d）和開關比（Ion/Ioff）（e）的統計分佈；

f，900 個反相器的靜態電壓傳輸特性及噪聲容限；

g，由典型反相器在不同電壓下的傳輸曲線計算得到的增益；

h，增益值的統計分佈，展示了 50 個反相器的增益情況。SS 表示亞閾值擺幅，VTG 表示頂柵電壓。

3.核心模塊

團隊藉助電子設計自動化工具，構建了RV32-WUJI 的四大核心功能模塊，涵蓋數據運算、數據選擇、狀態計數和數據存儲。各模塊最終將組成一個功能完整的微處理器。

下圖展示了與這些功能對應的四種典型電路：受控全加法器、多路複用器、計數器和 32 位寄存器。每個子圖均呈現了相應的電路結構、功能示意圖以及實驗測量的輸出波形。

a–d，受控全加法器（a）、4 輸入多路複用器（b）、4 位環形計數器和 3 位同步串行計數器（c）以及 32 位寄存器（d）的電路結構（左上）、基本邏輯功能（右上）和典型實驗測量邏輯輸出（下圖）。d 的底部是存儲四個 8 位 ASCII 碼‘F’、‘D’、‘M’和‘E’的實驗演示。MUX 為多路複用器；Sub. 為減法；SN 為 n 位選擇信號。

結論：

本研究首次證實二維半導體材料可用於構建大規模功能電路，所製備的5900 個MoS₂晶體管組成的 RISC-V 微處理器，是目前基於二維半導體的最複雜功能電路，標誌着二維集成電路技術進入實用化探索階段。

2.

其他Nature文章參考

斯坦福大學Jelena Vuckovic老師團隊利用MicroWriter ML3成功開發了一種新型的單晶鈦：藍寶石-絕緣體的光學器件，與傳統的鈦：藍寶石激光器相比，新研發的鈦：藍寶石激光器在體積上縮小了10000倍，成本降低了1000倍。在生產規模、製備效率和成本方面取得了突破性進展，有望推動其從大型實驗室設備向便攜式工具轉型。該成果以《Titanium: sapphire-on-insulator integrated lasers and amplifiers》為題發表於《Nature》期刊[2]。

斯坦福大學鮑哲南老師團隊利用MicroWriter ML3製備出了大規模集成的本徵可拉伸晶體管和相關器件，集成規模達每平方釐米100,000個，在100%應變條件下平均場效應遷移率超過20 cm²/Vs，5 V電壓下驅動電流達2 μA/μm，首次實現具有1000多個晶體管的大規模集成電路。其高吞吐量能力，高刷新頻率的盲文識別系統，以及LED顯示設備，展示了本徵可拉伸晶體管的多功能性和實用性，為實現高度靈活、高性能的可拉伸電子設備提供了重要的技術基礎。該成果以《High-speed and large-scale intrinsically stretchable integrated circuits》為題發表於《Nature》期刊[3]。

斯坦福大學Steven G. Louie老師團隊利用MicroWriter ML3的高精度加工與虛擬掩膜版功能，在 WSe₂/WS₂異質結上精準定義源漏電極，實現無需轉移步驟的頂柵晶體管制備，結合第一性原理計算發現層內電荷轉移激子（峯III），其電子-空穴空間分離約5nm，顛覆了傳統連續介質模型的預測。該成果以《Intralayer charge-transfer moiré excitons in van der Waals superlattices》為題發表於《Nature》期刊[4]。

斯坦福大學崔屹老師團隊依託MicroWriter ML3的高效加工等能力，實現鋰電池中孤立鋰（i-Li）遷移的即時觀測，揭示 i-Li 動態響應機制，修正了鋰電池失效模型的認知基礎，為延長鋰金屬電池壽命提供新方案。該成果以《Dynamic spatial progression of isolated lithium during battery operations》為題發表於《Nature》期刊[5]。

總結

MicroWriter 以其緊湊設計，融合多種加工分辨率與多種光源選擇的強大配置，輔以直觀友好的人機交互，更以高效加工能力與靈活開放的技術為核心競爭力，已然成為國際公認的主流微納加工利器，持續為前沿科研等領域賦能！