读2025世界前沿技术发展报告06微电子与光电子技术

1. 概述

1.1. 电子信息技术涵盖了微电子和光电子技术

1.2. 微电子技术涉及微小尺度的电子元件和集成电路，包括半导体器件、集成电路设计、制造工艺及封装技术

1.3. 使人类能够制造出更小、更快、更强大的电子设备，如智能手机、计算机芯片和传感器，是现代信息社会发展的核心动力之一

2. 新型晶体管技术

2.1. 2024年，新型晶体管技术继续朝着更高效、更小型、更低耗的方向发展

2.2. 二维半导体是一类具有超薄厚度的材料，通常由单层或少数层原子组成

• 2.2.1. 具有独特的电学、磁学、光学和力学性能，表现为轻薄、载流子迁移率高、能带可调等特点，如磷（P）​、砷化锗（GaAs）​、二硫化钼（MoS2）​

• 2.2.2. 随着传统晶体管制造技术瓶颈的逐渐显现，为提升芯片计算能力、缩小芯片尺寸，新型堆叠技术也成为该领域的主要技术研发方向

2.3. 基于单层黑磷和砷化锗的新型晶体管

• 2.3.1. 一种范德华剥离技术（van der Waals exfoliation）​，成功使用这种技术创建了基于黑磷和砷化锗的晶体管，并证明了其优越的电学特性

• 2.3.2. 在开发基于其他不稳定单层材料的晶体管方面的潜力，这种技术能够减薄晶体管的沟道部分，同时保持接触区域所需的厚度

• 2.3.3. 为使用二维半导体材料制造更薄、更可扩展的电子设备开辟了新的途径

2.4. 新型氮化铝功率半导体，可大幅降低电力损耗

• 2.4.1. 表明氮化铝半导体品质良好，希望五年后发布多种基于氮化铝的元器件

2.5. 全球首款可应用于集成电路的N型场效应晶体管

• 2.5.1. 世界上首款可应用于集成电路（CMOS）的N型场效应晶体管（MOSFET）​

• 2.5.2. 使用NIMS专有的微波等离子体化学气相沉积（MPCVD）方法精确控制高温高压合成（HPHT）单晶金刚石基板晶面上的掺杂浓度，最终形成了高品质的N型金刚石外延层，并基于此研发出新型N型场效应晶体管

• 2.5.3. 该N型金刚石MOSFET在300摄氏度下场效应电子迁移率约为150平方厘米/伏特·秒（cm²/V·sec）​

• 2.5.4. 该研究可应用于集成电路的开发，如用于制造恶劣环境中使用的电子器件和传感器等

2.6. 在晶圆上集成了二硫化钼晶体管，可缩小芯片尺寸

• 2.6.1. 成功在一个200毫米的晶圆上集成了二硫化钼（MoS2）晶体管，可缩小芯片尺寸

• 2.6.2. 使用金属有机化学气相沉积（MOCVD）技术制造出大规模MoS2场效应晶体管（FET）​，并消除了MoS2材料与金属界面之间的肖特基势垒，从而大大增强了FET的载流子迁移率

• 2.6.3. MoS2FET在场效应迁移率、接触电阻和电流密度等方面均优于其他MoS2 FET

2.7. 开发出新型铁电晶体管

• 2.7.1. 在正负电荷之间以极高的速度切换来模拟计算机编码中的“0”和“1”​，经过1000亿次开关后仍保持正常工作，厚度仅为十亿分之一米

• 2.7.2. 性能优越，未来有望用于逻辑运算设备和非易失性存储设备

2.8. 开发出新型二维低功耗场效应晶体管

• 2.8.1. 2024年8月，中国科学院上海微系统与信息技术研究所、香港城市大学和复旦大学联合研究团队开发出新型二维低功耗场效应晶体管

• 2.8.2. 使用厚度仅为1.25纳米的单晶氧化铝，采用标准范德华转移方法制造了具有高品质介电界面的二维场效应晶体管

• 2.8.3. 栅极宽度为100微米，长度为250纳米，通过在栅极之间留有间隙，确保了完全的绝缘性

• 2.8.4. 解决了高栅极漏电和低介电强度问题，有望推动下一代微型化电子设备的发展

2.9. 开发出基于二维半导体制造高性能晶体管的方法

• 2.9.1. 2024年9月，中国苏州大学、沙特阿拉伯阿卜杜拉国王科技大学和奥地利维也纳工业大学等机构的研究人员开发出一种基于二维半导体制造高性能晶体管的方法

• 2.9.2. 依赖于六方氮化硼（h-BN）电介质和具有高内聚能的金属栅极电极

• 2.9.3. h-BN栅极电介质与铂和钨等高内聚能金属的兼容性最好，可以有效减少漏电流

• 2.9.4. 与采用金电极的类似晶体管相比，基于铂和钨的栅极电极可将h-BN介电体上的漏电流降低至原来的约1/500，这有利于利用二维材料制造可靠的固态微电子电路和设备

2.10. 研发出新型电子堆叠技术，可显著增加芯片上的晶体管数量

• 2.10.1. 成功制造出多层芯片，其中高品质半导体不再局限于传统的硅基底，而是交替生长直接叠加在一起，从而改善层间通信质量与速度

• 2.10.2. 使芯片能够超越传统限制进行堆叠，大幅提升了人工智能、逻辑运算及内存应用的计算能力

3. 先进制造工艺

3.1. 随着摩尔定律的放缓，新的先进制造工艺崭露头角，如3D集成技术、异构集成技术等，不再单纯依赖晶体管数量的增长来提升性能

3.2. 加之行业对先进芯片的需求量不断增多，制造成本不断升高，先进封装技术、极紫外光刻替代技术等新工艺应运而生，有望在新的芯片制造技术迭代、成本效益提升上发挥积极作用

3.3. 展示大规模半导体3D集成

• 3.3.1. 单片3D集成提供了更高密度的垂直连接，因为不依赖于两个预先图案化芯片的黏合，这种集成方法可以增加芯片上的晶体管数量，进一步延续摩尔定律

• 3.3.2. 有助于提高计算能力和降低功耗，并为电子设备添加新的功能，如在计算芯片中整合传感器等，将设备垂直堆叠在一起，可以缩短设备之间的距离，从而减少延迟和功耗

3.4. 瑞萨电子公司研发出新技术，可使AI芯片性能提高16倍

• 3.4.1. 开发出可使人工智能半导体的处理性能最多提高16倍的技术

• 3.4.2. 不仅显著提升了性能，同时还将每瓦电力的运算能力推至每秒10万亿次浮点运算，而耗电量却能控制在原有水平的八分之一以下

• 3.4.3. 这项技术的突破意味着人工智能技术将迎来更大发展空间

3.5. Cerebras公司推出晶圆级新型AI处理器WSE-3

• 3.5.1. WSE-3的单芯片尺寸达到46225平方毫米，比英伟达H100处理器大57倍

• 3.5.2. 单块WSE-3芯片拥有4万亿个晶体管和90万个AI核心，峰值性能达到每秒125千万亿次浮点运算，通过中国台积电5纳米工艺进行制造

• 3.5.3. 将用于训练一些业界最大的人工智能模型，如能训练多达24万亿个参数的AI模型

• 3.5.4. 通过WSE-3加强应对与英伟达公司的竞争

3.6. 新的EUV光刻机替代方案

• 3.6.1. 筑波高能加速器研究组织（KEK）研究人员提出一种新的EUV光刻机替代方案

• 3.6.2. 涉及利用粒子加速器的能量来实现更经济、更快速、更高效的EUV光刻技术

• 3.6.3. EUV光刻的最佳替代候选方案是开发能量回收线性加速器，使用粒子加速器版本的再生制动

• 3.6.4. 自由光子激光（FEL）光束的高功率、窄谱宽使FEL非常适合用于未来的光刻技术

• 3.6.5. 可以用相对更低的成本产生数十千瓦的强大自由电子激光，以驱动多台下一代光刻机，从而降低先进芯片制造的成本

3.7. 佳能公司首次交付纳米压印光刻设备

• 3.7.1. 原理是像印章一样将印有电路图案的掩模版压入晶圆上的光刻胶中，同时，耗电量仅为EUV光刻机的十分之一

• 3.7.2. NIL光刻设备在降低功耗和成本的情况下，能够实现最小线宽14纳米的图案化，相当于5纳米制程技术

• 3.7.3. 经过进一步改进，预计还能生产2纳米产品

• 3.7.4. 其纳米压印光刻机的策略不是取代晶圆厂的DUV和EUV工具，而是与现有工具共存

3.8. 华科武汉光电国家研究中心攻克芯片光刻胶关键技术

• 3.8.1. 研发出T150A光刻胶系列产品，已通过半导体工艺量产验证，实现了原材料全部国产，配方全自主设计

• 3.8.2. T150A在光刻工艺中表现出的极限分辨率达到120纳米，且工艺宽容度更大、稳定性更高、留膜率更优，对刻蚀工艺表现更好

• 3.8.3. T150A中的密集图形经过刻蚀，下层介质的侧壁垂直度表现优

• 3.8.4. 未来还会发展一系列应用于不同场景下的KrF与ArF光刻胶，致力于突破国外“卡脖子”关键技术

3.9. 机械材料研究所研发出全球首个4英寸异构结构半导体

• 3.9.1. 首次成功利用等离子体增强化学气相沉积（PECVD）技术制造出4英寸异质结构半导体

• 3.9.2. 可实现WS2/石墨烯和1T-2H MoS2异质结构的大面积制备，为实现3D集成结构、降低功耗和提升性能能效奠定基础

3.10. 博通推出业界首个3.5D F2F封装技术

• 3.10.1. 推出业界首个3.5D F2F封装技术和3.5D XDSiP封装平台技术

• 3.10.2. 该技术使用创新的F2F堆叠方式直接连接顶层金属层，在单一封装中集成超过6000平方毫米的硅芯片和多达12个HBM内存堆栈，既实现了密集可靠的连接，又可最小化电气干扰，具有极佳的机械强度，同时在封装尺寸上也具备优势

• 3.10.3. 3.5D XDSiP平台专为高性能AI和HPC处理器设计，可满足AI芯片高效率、低功耗的计算需求

3.11. 香港科大开发全球首款高光效深紫外显示晶圆，推进无掩模光刻技术发展

• 3.11.1. 全球首个用于光刻机的深紫外micro-LED显示阵列晶圆

• 3.11.2. 实现多项关键性技术突破，如配合无掩模紫外光光刻技术，可有效提升其光输出功率密度准确性、图案显示解析度、荧幕性能、快速曝光能力等，实现了以较低成本和更高效的方法推动半导体晶片生产的技术发展

4. 新型存储技术

4.1. 新型存储技术是指在硬盘（HDD）​、固态硬盘（SSD）等传统存储技术之外，通过创新的材料、架构、计算原理或操作方式实现的数据存储，主要包括相变存储、磁变存储、阻变存储、铁电存储、存算一体化等

4.2. 具有提升存储速度、提高存储密度、增强数据耐用性、降低功耗等优势，能够弥补传统存储技术在高性能计算、大数据处理等领域的不足

4.3. 新型存储技术的发展也为量子计算、超算、人工智能等新兴技术领域提供了有力支撑

4.4. 清华大学开发出液态电阻式随机存取存储器

• 4.4.1. 2024年1月，中国清华大学刘静团队开发出液态电阻式柔性随机存取存储器（FlexRAM）​，可用于柔性电路

• 4.4.2. 使用镓基液态金属实现FlexRAM的数据写入和读取过程，镓基液态金属液滴通过氧化和还原机制模拟对神经元超极化和去极化的溶液环境变化过程进行仿真

• 4.4.3. FlexRAM还具有可重复使用性，可在超过3500次操作循环中保持稳定的性能

• 4.4.4. 从根本上改变了传统的柔性存储概念，为未来软智能机器人、脑机接口系统、可穿戴/植入电子设备提供了理论基础和技术路径

4.5. 台积电开发出SOT-MRAM阵列芯片，功耗仅为类似技术的1%

• 4.5.1. 研发出自旋轨道力矩式磁性内存（SOT-MRAM）​，功耗仅为类似技术STT-MRAM的百分之一

• 4.5.2. SOT-MRAM是下一代磁阻式随机存取内存（MRAM）技术，可满足新一代内存需求，目前三星、英特尔等大厂都在加大投入研发该技术

• 4.5.3. 随着AI、5G时代的来临，自动驾驶、精准医疗诊断、卫星影像辨识等场景应用，都需要更快、更稳、功耗更低的新一代内存

4.6. 华为公司将推出新型磁电存储设备

• 4.6.1. 该设备基于磁电磁盘（MED）技术

• 4.6.2. 可以降低总连接成本和功耗，第一代产品定位为大容量档案存储，机架容量超过10拍字节，功耗小于2千瓦

• 4.6.3. MED技术可以提供比传统硬盘和磁带存储更低的成本和功耗

4.7. 基于斯格明子的低功耗存储技术

• 4.7.1. 开发出基于斯格明子（Skyrmion）的低功耗存储技术

• 4.7.2. 斯格明子是一种微小快速的磁涡流，可以作为高效的人工智能计算的理想载体

• 4.7.3. 成功实现了斯格明子的电读出和状态之间的电切换，证明了其在高效、可持续人工智能计算中的巨大潜力

• 4.7.4. 功耗比现有商业存储技术的功耗低1000倍，为未来更快、更节能的计算技术铺平了道路

4.8. 铠侠公司将引入低温蚀刻技术，可加速存储芯片制造

• 4.8.1. 将从其第10代NAND产品开始，在制程中引入低温蚀刻法这一前沿技术，进一步提升生产效率

• 4.8.2. 相比传统的电浆蚀刻法，低温蚀刻法的加工速度提升了约4倍，标志着存储技术的一次重要革新

• 4.8.3. 这项创新技术可在短短33分钟内实现10微米深的高纵横比（晶圆上形成的图案的深度与宽度之比）蚀刻

• 4.8.4. 除铠侠公司外，三星电子公司也打算采用低温蚀刻技术制造芯片

4.9. 深圳大学研发出一款新型感存算一体化的无浮栅型光电闪存器

• 4.9.1. 采用旋涂法将红外光感知材料上的转换纳米颗粒与有机半导体聚（3-己基噻吩）均匀混合，从而形成具有稳定光响应特性的复合材料体系，再将其与多级电导态光电晶体管结合，实现了感知、存储和处理等功能的融合

• 4.9.2. 不仅能显著提升数据处理效率，而且其具备的多级存储和高维非线性表达能力使得复杂时序数据的高效处理成为可能

• 4.9.3. 弥补了传统材料在红外感知方面的不足，实现了在窄带近红外辐照下信息的有效获取和处理，为红外机器视觉的应用带来可能