微纳电子器件与集成

研究概览

  • 任务目标与背景
  • 研究方向
  • 研究基础
背景

随着人工智能(AI)的高速进步和爆发式增长,对于芯片处理信息效率的要求越来越高。存储器和处理器作为芯片的核心,都各自面临着严重的瓶颈:在处理器中,硅基晶体管的沟道长度已逼近物理极限,摩尔定律不断放缓;在存储器中,NAND闪存受限于结构特性,微缩进程停留在28nm无法持续;与此同时,传统计算机冯诺依曼架构中存储器和处理器的分离问题,也使得速度匹配失衡的“存储墙”问题越来越显著。因此,开发新型存储-计算融合器件及架构成为集成电路产业的核心方向。 基于二维半导体材料的晶体管具有原子级薄的高迁移率优势,已被证明在极限尺寸下具有超越硅的潜力(本团队第一作者,2022 Nature);基于导电细丝的阻变存储器、基于极化翻转的铁电存储器具有集成度高、开关速度快和低功耗的优势,能够突破NAND闪存的尺寸限制(本团队第一作者,2023 Nature;通讯作者,2024 Science)。

任务目标

本团队将针对传统硅基存储与计算器件面临的集成度瓶颈和功耗困境,结合二维材料晶体管、阻变存储器和铁电存储器的优势,聚焦界面相容性、机制调控、存算一体集成三大核心问题,通过界面工程优化、原位机制解析、系统集成验证,实现高性能二维材料基阻变存储器,开关速度<5 ns,疲劳次数>10^8次, 保持时间>10年;制备高性能二维材料基铁电存储器,开关比>10^8,疲劳次数>10^12次,极化保持时间>10年;演示二维材料基存算一体系统,计算效率>10 TOPS/W, MNIST识别准确率>98%。

研究方向

二维材料晶体管、忆阻器和铁电存储器及其集成

研究基础

近五年以第一或者通讯作者发表Science或者Nature正刊3篇,子刊14篇,列表如下:
1. Science 385, 57 (2024),通讯作者;
2. Nature 618, 57 (2023),第一作者;
3. Nature 603, 259 (2022), 第一作者;
4. Nature Electronics 7, 775 (2021), 第一作者;
5. Science Advances, 11, eadv4138 (2025),通讯作者;
6. Science Advances, 9, eadk1957 (2023),通讯作者;
7. Nature Communications, 16, 365 (2025),通讯作者;
8. Nature Communications, 16, 3026 (2025),通讯作者;
9. Nature Communications, 16, 4232 (2025),通讯作者;
10. Nature Communications, 16, 4462 (2025),通讯作者;
11. Nature Communications, 16, 8188 (2025),通讯作者;
12. Nature Communications, 16, 7449 (2025),共同第一作者;
13. Nature Communications, 16, (in press 2025),通讯作者;
14. Nature Communications, 16, 9382 (2025),通讯作者;
15. Nature Communications, 14, 2695 (2023),共同第一作者;
16. Nature Communications, 13, 7019 (2023),通讯作者;
17. Nature Communications, 11, 2972 (2020),通讯作者;

科研项目

项目名称 项目类型 负责人 执行年限
基于忆阻器的混合2D/CMOS微芯片 国家自然科学基金优秀青年科学基金项目(海外) 朱凯晨 2026-2030
多能谷半导体材料电声耦合与输运特性研究 国家自然科学基金-面上项目 张浩 2026-2029
高端集成电路制程的硅晶体生长及缺陷表征技术 区域联合重点基金 李文武 2026-2029
高密度二维材料SRAM工艺制程研究 国家自然科学基金-青年项目 吴凡 2025-2027
新型超强光场的创建与表征原理和技术研究 科技部国家重点研发计划-子课题 张浩 2024-2028
二维硫族化合物晶体管的电荷注入和输运机理研究 国家自然科学基金-面上项目 李文武 2024-2027

科研发表

  • 期刊论文
  • 会议论文
  • 著作
论文标题 发表期刊 第一/通讯作者 发表年份
Developing Fatigue-Resistant Ferroelectrics using Interlayer Sliding Switching

Science

通讯作者 2024
Hybrid 2D/CMOS Microchips for Memristive Applications

Nature

第一作者 2023
Vertical MoS2 transistors with Sub-1-nm Gate Lengths

Nature

第一作者 2022
The Development of Integrated Circuits Based on Two-dimensional Materials

Nature Electronics

第一作者 2021
Tailoring Tin-based Perovskite Crystallization via Large Cations and Pseudo-Halide Anions for High Mobility and High Stable Transistors

Science Advances

通讯作者 2025
Polarity-dependent ferroelectric modulations in two-dimensional hybrid perovskite heterojunction transistors

Nature Communications

通讯作者 2025
Low-Dimensional Templates and Delayed Crystallization for High-Quality Tin-Based Perovskite Films and High-Performance Transistors

Nature Communications

通讯作者 2025
Emergence of Ferroelectricity in Sn-based Perovskite Semiconductor Films by Iminazole Molecular Reconfiguration

Nature Communications

通讯作者 2025
Transformer-generated Atomic Embeddings to Enhance Prediction Accuracy of Crystal Properties with Machine Learning

Nature Communications

通讯作者 2025
Hidden Structural Phase Transition Assisted Ferroelectric Domain Orientation Engineering in Hf0.5Zr0.5O2 Films

Nature Communications

通讯作者 2025