Lake Shore探针台助力三项成果入选“Chip 2025中国芯片科学十大进展”
发布日期：2026-11-05
2026年10月14日，深圳——在湾区集成电路科学技术大会暨第四届芯片大会上，Chip期刊正式发布「Chip 2025中国芯片科学十大进展」。北京科技大学、复旦大学、华中科技大学分别牵头完成的三项成果入选，涵盖原子层键合接触技术、二维半导体微处理器和分子晶体忆阻器。三项成果在器件电学性能测试环节均采用了美国Lake Shore公司的探针台系统，为芯片前沿研究提供了关键的测试保障。
Chip期刊主编毛军发院士与施毅院士共同为十大进展颁奖
北京科技大学：原子层键合，让二维半导体“无缝对接”工业应用
北京科技大学张跃院士团队创新性提出原子层键合（Atomic Layer Bonding, ALB）接触学术思想，通过在过渡金属二硫属化物的过渡金属原子层与金属之间建立金属性共格键合界面，研制出接触电阻低至70 Ω·μm、热机械稳定性达400°C的二维晶体管器件，各项指标全面超越国际半导体器件与系统（IRDS）技术路线图要求。成果发表于《Science》。
成果核心内容：二维半导体与金属之间的范德华接触因能带耦合弱、键强度低，始终逊于半导体工业中的共价键接触。研究团队通过精确去除单层MoS₂上层的硫族原子，使Mo原子层与Au(111)原子通过晶格弛豫形成共格键合，建立金属性共格键合界面。DFT计算表明，ALB界面的载流子隧穿概率为100%（势垒高度φ_b=0），而vdW界面势垒高度为3.37 eV、宽度为1.11 Å；ALB界面键合能达0.281 eV/Ų，是vdW界面（0.052 eV/Ų）的5.4倍。
ALB接触与vdW接触的比较
实验上，团队用超软氩等离子体精确刻蚀去除上层S原子，HAADF-STEM观察到Mo原子与Au(111)原子形成近乎完美的共格键合，键合界面处Mo-Mo晶格（2.592 Å）与Au-Au晶格（2.601 Å）几乎一致。最终，单层MoS₂与金之间的ALB接触表现出70 Ω·μm的接触电阻，热机械稳定性高达400°C，高温退火后最大开态电流达1.1 mA/μm，全面超越已报道的接触构型，可与半导体工业中的共价键接触相媲美，满足2028年IRDS路线图高性能目标。该工作还验证了ALB接触可扩展至WS₂、MoSe₂等其他TMD半导体，并在2英寸晶圆上展示了优异的可扩展性和可重复性。
ALB接触的电子特性和接触增强的热机械稳定性
探针台测试的关键作用：该成果中晶体管的电子输运特性测试，正是依托高真空Lake Shore探针台配合B1500A半导体器件分析仪完成的。ALB接触需要在400°C高温退火后仍保持70 Ω·μm的超低接触电阻和1.1 mA/μm的开态电流，这类高温、高真空条件下的电学测量对探针台的真空度、温度控制与接触稳定性提出了严苛要求。高真空Lake Shore探针台为验证ALB接触在极端热机械条件下的电学性能提供了可靠平台，是该项成果从理论计算走向实验验证的关键测试环节。
复旦大学：基于二维半导体的32位RISC-V微处理器“无极”
复旦大学包文中、周鹏联合团队完成基于二维半导体材料（MoS₂）的32位RISC-V架构微处理器“无极”（RV32-WUJI），在国际上首次实现二维逻辑芯片最大规模验证纪录——集成5,900个晶体管，完成从材料到架构再到流片的全链条自主研发。成果发表于《Nature》。
成果核心内容：研究团队使用4英寸MoS₂晶圆，以与VLSI兼容的方式制造了RV32-WUJI。该芯片具有四层结构：源漏层（M0）和栅极层在FEOL工艺中形成，BEOL工艺形成逻辑连接层（M1）和模块连接层（M2、M3）。芯片由5,900个MoS₂ FET组成，触发器之间的最大逻辑路径为17级级联逻辑元件，系统由4 V电源电压供电，可独立运行，无需外部偏置或控制信号。制造良率达99.77%（900个反相器中898个正常工作），整体晶体管良率达99.92%。
4英寸MoS₂晶圆通过与VLSI兼容的方式制造了RV32-WUJI
芯片包含25种逻辑单元的标准单元库，在1 kHz频率下运行时功耗低至0.43 mW。团队通过铝（Al）和金（Au）两种不同功函数的金属栅极调制阈值电压，实现增强-耗尽模式反相器，增益高达760；并采用与机器学习相结合的系统性协同优化策略，分解分析各工艺步骤对器件性能的贡献。最终，RV32-WUJI成功执行了标准32位指令，并演示了“1946 + 25 = 1971”和“1971 + 53 = 2024”的完整算术运算（1946年为ENIAC诞生年份，1971年为Intel 4004诞生年份，2024年为该芯片问世年份），在1 kHz下执行这些运算的功耗为0.43 mW。
不同栅极金属的场效应晶体管FET和反相器的转移特性曲线
探针台测试的关键作用：该成果中晶体管和简单逻辑元件的电性能评估，使用B1500A半导体器件分析仪并辅以温度可变探针台完成，器件I-V特性与脉冲测试均在该平台上获取。RV32-WUJI包含5,900个晶体管、900个反相器和25种逻辑单元，需要在大规模阵列层面获取一致、可靠的I-V特性与脉冲响应数据，以验证99.77%的反相器良率和0.43 mW的低功耗指标。温度可变探针台为从单管测试到晶圆级阵列验证提供了稳定的电学测量环境，支撑了从器件到电路的全链条性能确认。
华中科技大学：分子晶体忆阻器
华中科技大学翟天佑、李渊团队的分子晶体忆阻器成果，首次将分子晶体材料Sb₂O₃引入忆阻器研究框架，实现单次操作能耗低至26 zJ、耐久性超过10⁹次开关循环，并在8英寸晶圆上制备1,024×1,024交叉阵列。成果发表于《Nature Nanotechnology》。该成果属于新型忆阻材料与器件方向，与二维半导体分属不同材料体系。
成果核心内容：传统氧化物忆阻器（HfO₂、SiO₂、TaOₓ等）和新兴二维材料忆阻器（MoS₂、PdSe₂、h-BN等）作为原子晶体，通过晶界等本征缺陷实现离子迁移，但缺陷的随机分布导致枝晶状或锥状非理想细丝形成，造成过高能耗，且反复离子迁移会破坏共价晶格，导致材料渐进损伤和器件快速失效。研究团队提出的Sb₂O₃分子晶体由Sb₄O₆分子笼通过范德华力结合而成，分子笼之间的vdW间隙空间（约5.16 Å）为Ag离子迁移提供天然通路，Ag离子以最小能量势垒（DFT计算最大迁移能垒仅0.41 eV，远低于HfO₂的1.41 eV、h-BN的2.91 eV和MoS₂的5.18 eV）通过弱结合的vdW间隙迁移，形成由原子链组成的纳米细丝，而非传统忆阻器中的随机粗大细丝。
传统氧化物忆阻器中粗大细丝与分子晶体忆阻器中纳米细丝的比较。
这一机制使器件在反复开关后仍保持晶体结构完整：HRTEM观察显示，开态下Sb₂O₃的（111）和（010）晶面间距分别从0.616 nm和0.624 nm变为0.639 nm和0.696 nm，但原始完整的笼结构得以保留；即使经过扩展耐久性测试，Sb₂O₃晶格结构仍保持完整，无非晶化或结构坍塌。器件表现出每次操作26 zJ的超低能耗和超过10⁹次开关循环的耐久性，并在同一器件内实现可重构的非易失性和易失性阻变行为，覆盖从微米到纳米的广泛器件尺度。团队通过标准商业流片技术在8英寸晶圆上制备了1,024×1,024交叉阵列，1,024个均匀选择的器件良率达100%。基于该忆阻器，团队构建了单晶体管-单忆阻器（1T1R）芯片，在单个硬件芯片内实现储备池计算，在POKER-DVS数据库的动态视觉识别中达到100%的准确率，权重矩阵转移到硬件后的平均相对误差仅1.45×10⁻⁵。
分子晶体忆阻器交叉阵列电学行为，非易失I–V开关曲线以及耐久性等
探针台测试的关键作用：该成果中忆阻器的I–V特性和脉冲测量，均在Lake Shore TTPX探针台上完成，配备B1500A（Keysight）和FS-Pro（PRIMARIUS）半导体参数分析仪。分子晶体忆阻器的核心指标——26 zJ单次操作能耗、超过10⁹次开关循环耐久性、可重构的非易失/易失阻变行为——均依赖高精度脉冲测试和长期循环稳定性测量。TTPX探针台配合超快脉冲模块，为在皮安级电流、纳秒级响应条件下捕获器件真实开关行为提供了关键测量能力，是验证分子晶体忆阻器超低能耗与超高耐久性的核心测试平台。
三项成果背后的共同测试平台
三项代表了新型半导体材料和器件集成领域前沿水平的成果在器件电学性能测试环节均采用了美国Lake Shore公司的探针台系统。从器件级测试到晶圆级集成验证，Lake Shore探针台在高温、高真空、脉冲应力等复杂测试条件下提供了稳定的电学测量平台，助力研究人员获取可靠的器件性能数据。
Lake Shore低温探针台
Lake Shore低温探针台主要特征
最大±2.5T磁场，可定制5T磁场
低温至1.6K，高温至675K
最大可测8英寸晶圆样品
最高67GHz高频探针
3 kV 高电压探针
大温区低温漂探针
真空腔联用传送样品
＜30 nm低振动适用于显微光学测量
霍尔效应、铁电、半导体分析测试选件
参考文献：
Li Gao et al., Atomic layer bonding contacts in two-dimensional semiconductors. Science 390, 813–818 (2025). https://doi.org/10.1126/science.adz2405
Ao M., Zhou X., Kong X. et al. A RISC-V 32-bit microprocessor based on two-dimensional semiconductors. Nature 640, 654–661 (2025). https://doi.org/10.1038/s41586-025-08759-9
Qin L., Guan P., Shao J. et al. Molecular crystal memristors. Nature Nanotechnology 20, 1641–1647 (2025). https://doi.org/10.1038/s41565-025-02013-z
