专家视点

1 基于二维半导体平台的RISC-V 32位微处理器

随着信息技术的快速发展，市场对高性能、低功耗微处理器的需求持续增长。然而，传统硅基半导体技术在性能提升上正遭遇多重瓶颈：漏电导致势垒降低、界面散射造成迁移率下降、开关电流比存在局限。二维（2D）半导体凭借原子级厚度、优异电学性能及机械柔性，成为极具前景的解决方案。尽管在二维材料的晶圆级生长技术上，研究者们已取得显著进展，成功实现了大面积、高质量的材料制备。然而，将这些微观层面的成果，进一步集成到大规模功能电路中，仍然面临着诸多挑战。

近日，山东大学李阳教授课题组总结了二硫化钼晶体管在微处理器领域的最新创新应用，展现了二维半导体在复杂电路中的巨大潜力。其中，一项前沿研究报道了基于2D二硫化钼（MoS₂）晶体管的RV32-WUJI RISC-V 32位微处理器（即“无极（WUJI）”）。在制造过程中，研究团队基于4英寸 MoS₂晶圆成功制备出 RV32-WUJI 微处理器，其采用与主流硅 CMOS 技术兼容的顶栅场效应晶体管（FET）结构，制造工艺涵盖前端线（FEOL）与后端线（BEOL）。通过系统协同优化策略，结合机器学习分析各工艺步骤对器件性能的影响，团队在晶圆级二维集成电路制造中实现了99.92% 的晶体管良率和1 kHz下0.43 mW的低功耗。

在晶体管级匹配与逻辑单元设计层面，通过选用铝、金等不同金属栅极，并优化高k介电层沉积工艺，精确调控了负载与驱动晶体管的阈值电压（V_TH）。不同金属栅极在 MoS₂晶体管中呈现出差异化转移曲线，对应不同V_TH，这表明金属栅极的选择可有效调节晶体管电学性能。构建的30 × 30的900个反相器阵列中，898个正常工作，良率达99.77%，整体噪声容忍度为0.5 V。反相器展现出高单级增益，其均匀性与高性能为先进数字逻辑电路奠定了坚实基础；而最长路径的输入输出裕度图及延迟分析显示，该设计可支持数千赫兹的最大工作频率，印证了微处理器在低频应用中的良好性能与稳定性。

该微处理器架构基于RV32I指令集，采用优化的标准单元库，构建了完整功能的处理系统，包括1位算术逻辑单元、控制状态寄存器模块、指令解码模块、立即数解码模块、含程序计数器的控制模块，以及缓冲寄存器模块、监控指令执行状态的小型状态机，还有寄存器文件与内存的接口模块。其在实现复杂数字逻辑功能上展现出显著潜力，全加器、多路复用器、计数器及32位寄存器等典型电路。同时，其完整的数据路径与状态机架构采用串行处理方式，旨在降低功耗与硬件开销，使其适用于小型物联网设备的边缘嵌入式环境。

这项研究不仅展示了二维半导体在大规模功能电路中的巨大潜力，还为未来高性能、低功耗应用开辟了新的道路。RV32-WUJI微处理器的成功制造证明了二维集成电路技术在实际应用中的可行性。未来的研究将重点进一步优化处理技术和材料，以实现二维CMOS在短沟道区域的应用，从而充分释放二维半导体的潜力。

图1.（a）左图：24个WUJI芯片位于4英寸蓝宝石晶圆上。右图：显示了一个6 mm × 6 mm芯片的光学显微图像，包含5900个MoS₂晶体管和外围I/O焊盘。（b） RV32-WUJI芯片物理布局的缩放示意图，底层为蓝宝石上的MoS₂。（c）反相器的50个负载晶体管和50个驱动晶体管的转移曲线。（d）900个反相器的静态电压传输特性，包含噪声容限。（e）50个反相器的增益值分布。SS为亚阈值摆幅；V_TG为顶栅电压。（f）17级最长逻辑门路径的最大延迟为171 μs。（g）左上：电路结构，如4输入多路复用器、计数器和32位寄存器等电路结构。右上：它们的基本逻辑功能。（h）通过九个模块的数据路径示意图。

该文章以题为“A RISC-V 32-bit microprocessor on two-dimensional semiconductor platform”发表在Journal of Semiconductors上。

文章信息：

A RISC-V 32-bit microprocessor on two-dimensional semiconductor platform

Di Zhang and Yang Li

J. Semicond. 2025, 46(8): 080401 doi: 10.1088/1674-4926/25050016

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   综述

2 基于拓扑材料的红外与太赫兹波段光电探测器

红外与太赫兹波段作为电磁波谱中极具研究价值与潜力的关键频段，以其卓越的穿透性能与非电离辐射特性而备受关注，为开发高分辨率成像技术与无损检测提供了重要的理论依据和技术支撑，进而在通信技术、生物医学成像、安全筛查等众多前沿领域展现出广阔的应用前景与重要的战略意义。当前，主流商用红外与太赫兹光探测器，如测辐射热计（Bolometer）、高莱管（Golay Cell）、热释电探测器（Pyroelectric Detector）及肖特基二极管（Schottky Diode）等，仍普遍面临响应速度迟缓、灵敏度受限、器件体积庞大难以实现高效阵列集成，以及长期工作稳定性不足等关键技术瓶颈，制约了其进一步推广。同时，传统光敏材料在能带结构、载流子迁移率、光谱响应范围等方面的局限性日益凸显，难以满足新一代探测器对小型化、高灵敏度、宽光谱响应、多波段兼容、非制冷工作及柔性可穿戴等多元化性能指标的严苛要求。鉴于此，探索新型光敏材料体系已成为推动红外与太赫兹光探测技术突破性发展的核心任务。

在红外至太赫兹波段光电探测技术面临传统材料性能瓶颈与新兴应用需求持续攀升的双重驱动下，中国科学院上海技术物理研究所王林研究员课题组于近期发表了具有重要学术价值的综述性研究论文，系统梳理了基于拓扑材料的光电探测器研究进展。该研究指出，通过引入具备独特电子结构与卓越光电特性的新型拓扑材料体系，可有效突破传统半导体材料在能带调控、载流子输运及光-物质相互作用等方面的固有局限。作为一类具有全新量子态的新兴材料体系，拓扑材料在费米能级附近展现出非平凡的拓扑能带结构，表现出量子反常霍尔效应和线性能量-动量色散关系。其独特的表面态和极高的电子迁移率，使其在开发高性能光电器件方面具有重要价值。本综述以拓扑材料的量子拓扑分类体系为框架，系统梳理了拓扑绝缘体、狄拉克半金属、外尔半金属以及节点线半金属等代表性材料体系的生长制备方法与本征物理特性。随后，阐述了光探测器的基本原理与性能指标。最后，通过构建"材料-器件-系统"的多维度分析框架，全面综述了基于拓扑材料的近红外至远红外波段光电探测器及太赫兹波段探测器的最新研究进展，重点对比分析了不同材料体系在响应波段、响应速度、探测率及噪声等效功率等核心指标上的性能差异。

在过去的十年间，基于拓扑材料的红外与太赫兹波段光电探测器在性能优化与功能革新领域取得了里程碑式的突破。然而，受限于材料本征特性、器件物理机制及系统集成技术的综合约束，该领域在实现全光谱覆盖、超高速探测、片上集成化等战略目标方面仍面临重大挑战。未来可从材料设计、器件结构优化及系统集成等方面，以实现颠覆性突破的关键技术路径。

图1. 不同类型拓扑材料的能带结构示意图以及器件结构，包含拓扑绝缘体、狄拉克半金属、外尔半金属和节点线半金属材料。

该文章以题为“Topological materials-based photodetectors from the infrared to terahertz range”发表在Journal of Semiconductors上。

文章信息：

Topological materials-based photodetectors from the infrared to terahertz range

Zhaowen Bao, Yiming Wang, Kaixuan Zhang, Yingdong Wei, Xiaokai Pan, Zhen Hu, Shiqi Lan, Yichong Zhang, Xiaoyun Wang,  Huichuan Fan, Hongfei Wu, Lei Yang, Zhiyuan Zhou, Xin Sun, Yulu Chen, and Lin Wang

J. Semicond. 2025, 46(8), 081401. doi: 10.1088/1674-4926/25010010

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   研究论文

3 全MOS架构的超宽温度范围高精度基准电压源

基准源电路能提供不受温度和电源波动影响的参考电压，被广泛应用于模拟、数字和混合信号系统中。传统的基准源电路多基于双极结型晶体管（BJT）设计实现，经过了多年的研究和性能优化已较为成熟。然而，BJT器件存在寄生基极电阻和非单位发射系数等非理想因素，会降低基准源电路的输出精度。当温度低于50 K时，该现象会进一步恶化，甚至可能导致电路失效。近年来，随着量子计算、太空探索等低温电子学领域的新起，超宽温度范围基准源电路成为关键的研究方向。

近日，中国科学院上海技术物理研究所李向阳研究员课题组基于0.18 μm工艺设计了全MOS架构的基准电压源。该工作系统的分析了MOS工艺中具有正温度系数和负温度系数的电压，通过加权叠加实现了输出参考电压的一阶温度补偿。流片测试结果显示，与基于BJT器件的基准源电路相比，全MOS架构基准源电路的工作温度范围可达30 K到300 K。此外，相较于之前报道的全MOS基准电压源，该工作在温度系数、线性调整率、功耗及面积等性能指标上均有提升。

该文章以题为“A cryogenic 3.3-V supply, 1.6% 3σ-accuracy all-CMOS voltage reference with 58-dB PSR@10 kHz in 0.18-μm CMOS”发表在Journal of Semiconductors上。

文章信息：

A cryogenic 3.3-V supply, 1.6% 3σ-accuracy all-CMOS voltage reference with 58-dB PSR@10 kHz in 0.18-μm CMOS

Yupeng Yuan, Yi Zhuo, Jianjun Tu, Qingjiang Xia, Yan Zhang, Wengao Lu, Xiangyang Li, and Ding Ma

J. Semicond. 2025, 46(8), 082201 doi: 10.1088/1674-4926/24120039

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