微电子电路应用新型二维半导体：从集成电路工艺到芯片制造，微电子学院包文中课题组最新研究进展|上海羊羽卓进出口贸易有限公司

新型二维半导体：从集成电路工艺到芯片制造，微电子学院包文中课题组最新研究进展

人工智能和可移动终端的迅猛发展，导致对芯片高算力和低能耗的要求越来越高。而目前集成电路最先进的晶体管沟道长度和厚度开始逐步接近原子尺度，而传统半导体材料已经接近性能极限。最新的国际器件与系统发展路线（IRDS）就指出，具有原子厚度的二维半导体在未来大规模集成电路中有着巨大的潜力。所以，发展基于二维半导体的新型芯片具有极其重要的战略意义。当前国际上大面积二维半导体的生长已经有诸多报道，但是其集成电路应用仍在探索的初期。这主要是因为原子级厚度的二维半导体对工艺环境极端敏感，所以传统半导体CMOS集成工艺不能直接用来照搬。这就需要工业界和学术界共同投入大量的精力来开发基于二维半导体的新型集成电路工艺。

近年来，复旦大学微电子学院的包文中研究员课题组和周鹏教授团队通过长期合作，在二维半导体材料晶圆级生长、工艺集成、电路设计等集成电路应用方向开展了系统深入的研究。10月12日，《自然-通讯》（Nature Communications）在线发表了该课题组的研究论文《基于机器学习辅助工艺优化二维半导体晶圆级电路制作》（“Wafer-Scale Functional Circuits Based on Two Dimensional Semiconductors with Fabrication Optimized by Machine Learning”）。此工作中，课题组利用机器学习策略辅助优化了二维半导体增强型顶栅晶体管的制备工艺，并采用工业标准设计流程和工艺进行了晶圆级器件与电路的制造和测试（图1）。该工作提出了一种适合学术界探索的二维半导体集成电路工艺优化路线，从而展示了二维材料体系未来的芯片应用前景。微电子学院解玉凤教授、博士生陈新宇和硕士生盛耀晨、唐宏伟为共同第一作者，微电子学院包文中研究员、周鹏教授和信息学院万景研究员为该工作的共同通讯作者。

图1. 二维半导体的算法辅助工艺优化，顶栅工艺结构，以及晶圆级流片结果

这项研究工作的核心内容是利用已经积累的较大实验数据样本集，采用机器学习算法进行数据训练，从而识别具有优良器件指标的器件工艺特征。这样通过算法就可以高效地对所有可能的工艺组合进行评估，再辅以工艺专家的经验结合人为设计实验验证，从而进一步提升算法准确率并最终得到最优的工艺组合。简单来说，就是利用机器学习的高效性来辅助科研人员进行巨量组合的筛选，极大程度地减小科研人员的工作量。而且本工作所采用的机器学习策略具有通用性，其他新型材料也可以利用此策略缩短其器件工艺探究与应用进程，提高科研效率。

图2. 利用优化的二维半导体顶栅工艺制作的各种常见集成电路单元

通过算法优化后的晶圆级二维半导体工艺，可以得到兼容性强的增强型顶栅晶体管，并基于此工艺成功演示了各种数字、模拟、存储、光电探测等集成电路单元（图2）。进一步，研究团队充分利用二维半导体超薄厚度、可调带隙等优势，构建了包含突触权重存储单元、乘加卷积运算单元以及激活函数单元的全二维人工神经网络芯片（图3），“一站式”地突破了二维半导体从器件工艺到芯片制造的困难。10月5日，工作进展以《基于二维半导体的人工神经网络芯片》（“An Artificial Neutral Network Chip Based on Two-Dimensional Semiconductor”）为题发表于国内期刊《科学通报》（Science Bulletin）。学院青年副研究员马顺利，博士生吴天祥、陈新宇为本文的共同第一作者；包文中研究员、任俊彦教授和周鹏教授为该工作的共同通讯作者。

在这项工作中，研究团队利用level-62 SPICE模型构建晶体管仿真模型，从而对人工神经网络中的模拟电路进行仿真和优化。最终构建了一个可用于未来智能传感应用的人工神经网络芯片。此芯片突破了冯诺依曼架构的限制，与生物神经元类似，具有多个感知“突触”，收集来自传感器的信号。每个突触可以存储和改变感知信号的相应权重，并实现感知信号与权重的乘加运算，然后输入到激活函数电路进行映射与归一化。最后，该芯片结合片外软件演示了未来基于MoS2人工神经网络芯片可实现的触觉盲文分类器，经过权重值优化后的盲文字母识别率达到97%以上。

图3. 利用二维半导体制作的人工神经网络芯片

虽然目前芯片主流舞台依旧属于硅半导体，但在某些特殊应用场景已经有诸如氧化物半导体、有机半导体材料等新型材料的身影。因此，利用新材料的优点来提高芯片的整体性能，往速度更快、尺寸更小、功耗更低、计算存储密度更高的方向发展，是未来芯片发展的必由之路。拥有独特优势二维半导体发展前景不可小觑。团队未来将继续聚焦于新型二维半导体，深挖其特有属性，往新计算范式、三维集成应用方向探索，进一步推动其在集成电路产业中的实际应用。

该系列工作得到了科技部重点研发计划纳米科技专项、国家自然科学基金杰出青年科学基金、应急重点项目、上海市教委科研创新重大项目、上海市集成电路重点专项等项目的资助，以及教育部创新平台和专用集成电路与系统国家重点实验室的支持。同时还得到了上海市微系统所，香港理工大学，新加坡国立大学，苏州大学等兄弟院校的合作支持。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-021-26230-x

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2095927321006459

作者：王敏

来源：微电子学院

责编：章佩林

编辑：冯雅雯

以线性技术解决非线性电路问题，洪芯微想提供高性价比的光模块电芯片

采访：符梦玲、刘源、石亚琼

文章：符梦玲（fumengling@36kr.com)

编辑：石亚琼（syq@36kr.com)

根据Yole最新报告，光模块市场规模2019年为77亿元美元，2025年市场规模预计为177亿美元，2019-2025年复合增长率为15%。

光模块由光器件、电路芯片、PBC以及结构件构成，芯片所属的光器件是其中成本最高的部分。电芯片是光模块的重要组成部分。

在功能上，光模块分发射部分，接收和数字诊断部分。发射部分通过驱动器（LDD）驱动光器件（TOSA）进行发光。接收部分对接收器件（ROSA）转换后的小信号进行放大处理。数字诊断部分对发射和接收的一些指标进行监测反馈。目前主流的光模块就是（LDD+LA+MCU），热插拔电路和电源转换芯片。

全球出口模块厂80%的产能集中在中国。近年来，也培养出了国内主要的电芯片厂商，主要包括厦门优迅、亿芯源、嘉纳海威等公司。

我们近期接触的杭州洪芯微电子科技有限公司也是这个赛道上的一家创新企业。

洪芯微电子公司的产品基本涵盖了光模块应用的各种电芯片，目前该公司已经实现了跨阻放大器(TIA)、限幅放大器(LA)、高清视频应用三个方面的产品量产，其中TIA包括100G/40G TIA、25G PIN TIA、25G APD TIA、10G PIN TIA、10G APD TIA、10G BM TIA、1.25G BM TIA、4.25G TIA、3G TIA、2.5G super TIA、1.25G TIA等；LA包括10/1G BM LA、10G BM LA、1G BM LA、DC-DC升压芯片；高清视频应用包括12G SDI TO/ROSA、3G SDI TO/ROSA。目前该公司已经开始了100G和56G高速率PAM4芯片的研发。

光通信产业链数据来源:远方基金

光模块结构图

面对光模块高度竞争的市场，一家企业只有同时做到在产品性能上追齐欧美，在价格上具有竞争力，同时保持可观的毛利率，才能在未来的电芯片市场中获得更多的份额。

在性能方面，洪芯微电子的产品已经具备了优势，相比同类企业在灵敏度方面提高了33%，已经基本达到了国外的水平。

售价上，具备一定的成本优势。以触发模式的限幅放大器为例，国内企业在国外采购的成本大概是7美金，洪芯微电子的售价则为26元，约为国外芯片售价的56.97%。

之所以能做到这一点，是因为洪芯已经在芯片架构上实现了突破，采用线性技术解决了传统非线性电路的问题。采用共模技术，在芯片设计上减少了掩膜板的数量。以此技术上的创新实现了芯片性能的提升以及成本的降低，目前已经通过了权威部门的检验。

之所以能做到这一点，与团队背景相关。该公司目前技术团队有29人，其中3人有长期海外世界先进集成电路公司 20 年以上工作经验，创始人邹何洪博士有国外公司的从业经验，参与过TIA、LA、PLL、CDR、LDD等关键芯片的设计，2002年主持开发出0.18u CMOS 1.25G TIA芯片组，为世界第一颗CMOS 1G以上的TIA。 2004年开发出0.13u CMOS 1.25G/2.5G/3.25G/4.25G TIA芯片组，发明了当时最先进的集成电路架构（获得授权专利：US8509629、US20090110409、WO2009055035A2）。邹博士后续又领导开发了光通信10G/25G/40G TIA和LA。回国成立洪芯微电子之后，公司已经申请发明专利 21 项，其中美国专利 11 项，中国专利 10 项，实用新型专利 9 项，进一步迭代了芯片的架构与设计技术。

对于芯片行业，最关键的三个环节主要是设计、制造、封测。芯片产业由于其技术密集以及生产设备成本比较高等特性，多采用行业代工的方式进行制造和封测。洪芯微电子目前在生产布局上已经初步建成自己的体系，在代工方面该公司目前已经稳定获得四家工厂的代工，10G以下在韩国东部或者台积电,10G以上在GlobalFoundry或者TowerJazz。在封测环节主要由华天代工。

洪芯将目标客户定位于国内主要的光模块企业和器件厂商，公司旨在通过打造低成本、高品质的标准化产品进入客户供应商体系；进入供应商体系之后，公司准备通过定制化的产品向进口芯片发起竞争，抢占市场。目前已经与旭创科技、海信宽带、华工正源、光迅科技和德科立等企业建立了合作关系，2020 年洪芯与多家光模块头部企业签署了战略合作协议，并获得了相应的供应商资质。

目前国内主要的电芯片厂商有海思、优迅、嘉纳海威、光梓、英思嘉、飞昂、亿芯源。国内竞争同业的产品集中在 10G 及 10G 以下。其中美辰、嘉纳海威团队来自中电科下的研究所，飞昂、光梓、敏石由国外公司研发人员组建，优迅和亿芯源团队来自中国本土企业与国内高校。

洪芯微电子告诉36氪，公司已经制定了A轮融资计划，拟融资总额1 亿元人民币，通过增资扩股的方式进行，其中拟用于量产费用为3900万元，市场开拓费用600万元，研发费用3500万元，8K 视频传输项目启动经费 2000 万。