后硅基时代关键一步！复旦 “无极” 芯片登《Nature》正刊，台式无掩膜光刻立大功！
发布日期：2025-07-15
近日
二维半导体芯片取得里程碑式突破！
复旦大学集成芯片与系统全国重点实验室
周鹏、包文中联合团队
利用台式无掩膜直写光刻系统- MicroWriter ML3
成功研制全球首款[1]
基于二维半导体材料的
32位RISC-V架构微处理器
“无极（WUJI）”
【引言】
近年来，传统半导体的发展愈发受制于固有物理极限，漏极诱导势垒降低、界面散射导致的迁移率退化、半导体带宽限制的电流开关比等问题逐渐凸显。在此背景下，原子层厚度的二维（2D）半导体凭借特殊的电子特性，成为突破后硅时代技术瓶颈的核心方向。
经过十余年的技术攻坚，复旦大学集成芯片与系统全国重点实验室周鹏、包文中联合团队成功研制全球首款基于二维半导体材料的32位RISC-V架构微处理器“无极（WUJI）”。这款微处理器可在 5900 个二硫化钼（MoS₂）晶体管上执行标准 32 位指令，并构建了包含 25 种逻辑单元的完整标准单元库。团队创新性地将制造工艺与电路设计深度融合，材料晶圆级集成的系列难题，成功实现了 MoS₂微处理器的先驱原型，彰显了超越硅基的二维集成电路技术的潜力。该成果以“A RISC-V 32-bit microprocessor based on two-dimensional semiconductors”为题发表在《Nature》上。
值得关注的是，RV32-WUJI 的前端工艺中，所有器件特征结构均通过波长为 405 nm 的小型台式无掩模激光直写系统MicroWriter ML3完成光刻加工。该工作在4英寸的晶圆上有24个6X6 mm的WUJI芯片，设备加工速度可高达180mm2/min，支持多基片自动顺序加工，确保了特征结构的加工效率；同时，该系统无需掩膜版，可实现0.4 μm的超高线宽精度，还可灵活选用405 nm、365 nm和385 nm单一或组合光源，能够灵活满足科研中多样化的光刻需求。此外，其70 cm X 70 cm X 70 cm的紧凑结构采用集成化设计，全自动控制，不仅可靠性高，操作也极为简便。凭借这些优势，MicroWriter ML3为本研究晶体管和相关器件的成功制备提供了关键技术支持。
小型台式无掩膜直写光刻系统- MicroWriter ML3
【精彩图文展示】
RV32-WUJI 无极微处理器
a，底部为在 4 英寸蓝宝石晶圆上制备的 24 个 WUJI 芯片；顶部为放大的光学显微镜图像，显示单个芯片裸片，面积为 6 mm×6 mm，包含 5900 个二硫化钼（MoS₂）晶体管，输入输出焊盘分布在周边；
b，RV32-WUJI 芯片裸片的物理布局示意图，各层按比例绘制，底层为在蓝宝石晶圆上合成的 MoS₂；
c，OAI21、AOI22 和 1 位寄存器逻辑门单元的扫描电子显微镜（SEM）图像（栅电极因栅金属不同而伪着色），以及对应的电路原理图和实验测量波形；
d，晶体管沟道区域的 SEM 图像（上）和放大的高分辨率透射电子显微镜图像（下），显示 MoS₂的原子结构。
场效应晶体管（FET）与反相器
反相器作为数字电路的基础单元，其良率直接反映了芯片整体质量。与硅晶圆的直拉法生长不同，二维材料需通过化学气相沉积（CVD）制备，易产生缺陷与不均匀性。为确定 WUJI 芯片 6 mm ×6 mm区域内反相器的良率，作者制备了一个 30×30 的反相器阵列（共900 个单元）。所有反相器的传输特性曲线如图 f 所示。结果显示，898 个反相器可正常工作，良率达 99.77%，整体噪声容限为 0.5 V。正常工作的反相器其开关电压分布在 1.4 - 2.5 V 范围内，平均增益超过 550。这一成果不仅验证了二维材料器件的可靠性，更为先进数字逻辑电路的实现提供了坚实基础。
a，不同栅极金属的晶体管示意图；
b，构成反相器的负载晶体管和驱动晶体管的转移特性曲线，负载晶体管和驱动晶体管的数量各为 50 个；
c-e，50 个晶体管的阈值电压（VTH）（c）、亚阈值摆幅（d）和开关比（Ion/Ioff）（e）的统计分布；
f，900 个反相器的静态电压传输特性及噪声容限；
g，由典型反相器在不同电压下的传输曲线计算得到的增益；
h，增益值的统计分布，展示了 50 个反相器的增益情况。SS 表示亚阈值摆幅，VTG 表示顶栅电压。
核心模块
团队借助电子设计自动化工具，构建了RV32-WUJI 的四大核心功能模块，涵盖数据运算、数据选择、状态计数和数据存储。各模块最终将组成一个功能完整的微处理器。
下图展示了与这些功能对应的四种典型电路：受控全加法器、多路复用器、计数器和 32 位寄存器。每个子图均呈现了相应的电路结构、功能示意图以及实验测量的输出波形。
a–d，受控全加法器（a）、4 输入多路复用器（b）、4 位环形计数器和 3 位同步串行计数器（c）以及 32 位寄存器（d）的电路结构（左上）、基本逻辑功能（右上）和典型实验测量逻辑输出（下图）。d 的底部是存储四个 8 位 ASCII 码‘F’、‘D’、‘M’和‘E’的实验演示。MUX 为多路复用器；Sub. 为减法；SN 为 n 位选择信号。
【结论】
本研究首次证实二维半导体材料可用于构建大规模功能电路，所制备的5900 个MoS₂晶体管组成的 RISC-V 微处理器，是目前基于二维半导体的最复杂功能电路，标志着二维集成电路技术进入实用化探索阶段。
【其他Nature文章参考】
小型台式无掩模激光直写系统MicroWriter ML3的超卓性能已在多项国际前沿研究中得到验证：
斯坦福大学Jelena Vuckovic老师团队利用MicroWriter ML3成功开发了一种新型的单晶钛：蓝宝石-绝缘体的光学器件，与传统的钛：蓝宝石激光器相比，新研发的钛：蓝宝石激光器在体积上缩小了10000倍，成本降低了1000倍。在生产规模、制备效率和成本方面取得了突破性进展，有望推动其从大型实验室设备向便携式工具转型。该成果以《Titanium: sapphire-on-insulator integrated lasers and amplifiers》为题发表于《Nature》期刊[2]。
斯坦福大学鲍哲南老师团队利用MicroWriter ML3制备出了大规模集成的本征可拉伸晶体管和相关器件，集成规模达每平方厘米100,000个，在100%应变条件下平均场效应迁移率超过20 cm²/Vs，5 V电压下驱动电流达2 μA/μm，首次实现具有1000多个晶体管的大规模集成电路。其高吞吐量能力，高刷新频率的盲文识别系统，以及LED显示设备，展示了本征可拉伸晶体管的多功能性和实用性，为实现高度灵活、高性能的可拉伸电子设备提供了重要的技术基础。该成果以《High-speed and large-scale intrinsically stretchable integrated circuits》为题发表于《Nature》期刊[3]。
斯坦福大学Steven G. Louie老师团队利用MicroWriter ML3的高精度加工与虚拟掩膜版功能，在 WSe₂/WS₂异质结上精准定义源漏电极，实现无需转移步骤的顶栅晶体管制备，结合第一性原理计算发现层内电荷转移激子（峰III），其电子-空穴空间分离约5nm，颠覆了传统连续介质模型的预测。该成果以《Intralayer charge-transfer moiré excitons in van der Waals superlattices》为题发表于《Nature》期刊[4]。
斯坦福大学崔屹老师团队依托MicroWriter ML3的高效加工等能力，实现锂电池中孤立锂（i-Li）迁移的实时观测，揭示 i-Li 动态响应机制，修正了锂电池失效模型的认知基础，为延长锂金属电池寿命提供新方案。该成果以《Dynamic spatial progression of isolated lithium during battery operations》为题发表于《Nature》期刊[5]。
【总结】
MicroWriter 以其紧凑设计，融合多种加工分辨率与多种光源选择的强大配置，辅以直观友好的人机交互，更以高效加工能力与灵活开放的技术为核心竞争力，已然成为国际公认的主流微纳加工利器，持续为前沿科研等领域赋能！
参考文献：
[1]. Ao, M., Zhou, X., Kong, X. et al. A RISC-V 32-bit microprocessor based on two-dimensional semiconductors. Nature (2025).
[2]. Yang, J., Van Gasse, K., Lukin, D.M. et al. Titanium:sapphire-on-insulator integrated lasers and amplifiers. Nature 630, 853–859 (2024).
[3]. Zhong, D., Wu, C., Jiang, Y. et al. High-speed and large-scale intrinsically stretchable integrated circuits. Nature 627, 313–320 (2024).
[4]. Naik, M.H., Regan, E.C., Zhang, Z. et al. Intralayer charge-transfer moiré excitons in van der Waals superlattices. Nature 609, 52–57 (2022).
[5]. Liu, F., Xu, R., Wu, Y. et al. Dynamic spatial progression of isolated lithium during battery operations. Nature 600, 659–663 (2021).
