二维（2D）材料凭借其独特特性，在半导体领域展现出巨大潜力。一方面，即便处于单层厚度，二维材料也具备卓越的电子性能，且范德华异质结构能实现电子能带的精细调控，这使得二维电子器件得以突破硅（Si）技术的尺寸限制，还能构建全新的器件机制—例如二维闪存相比主流的硅基闪存，在Fowler-Nordheim隧穿编程速度和沟道长度缩放方面具有显著优势。另一方面，无论是工业界还是学术界，在集成电路领域都在积极探索二维材料的集成突破，期望在系统层面展现二维电子学的优越性，推动二维器件从实验室走向实际制造。然而，二维电子学的发展面临诸多关键挑战。尽管在二维材料集成和二维-CMOS混合集成方面取得了显著进展，但目前仍缺乏能够将器件优势转化为实际应用价值的系统解决方案。
二、【创新成果】
基于以上难题，复旦大学刘春森博士、周鹏教授在Nature上发表了题为“A full-featured 2D flash chip enabled by system integration”的论文，报道了一种原子器件到芯片（ATOM2CHIP）技术，以解决工艺和电路设计级别的2D系统集成挑战。研究人员通过在CMOS芯片上集成2D NOR闪存模块来演示全功能存储芯片，该芯片结合了高级2D电子器件作为存储核心和强大的CMOS平台来支持复杂的指令控制。利用全堆叠片上制造工艺，得到的2D闪存芯片实现了94.34%的高成品率。所制造的2D闪存单元具有20 ns的快速编程/擦除操作，每比特编程能耗低至 0.644 pJ，且具备良好的可靠性。此外，所提出的跨平台系统设计促进了具有指令驱动操作、32位并行性和随机访问的2D-NOR闪存芯片的功能。本研究跨平台系统设计建立了二维电路与成熟CMOS平台的兼容性验证方法，为后续其他二维电子器件的系统集成提供了可参考、可复用的技术范式，突破了二维电子学仅停留在器件层面研究的局限，推动二维技术从“实验室概念”向“工业级应用”迈出关键一步。
三、【图文解析】
图1 采用ATOM2CHIP技术实现的全功能2D闪存芯片 © 2025 Springer Nature
图2 全栈片上工艺 © 2025 Springer Nature
图3 跨平台兼容性验证方法 © 2025 Springer Nature
图4 基于全芯片测试的全功能演示 © 2025 Springer Nature
四、【科学启迪】
综上，本研究报道了一项在闪存技术领域另辟蹊径的突破性工作—通过ATOM2CHIP技术成功演示了全功能二维NOR闪存芯片。全栈片上工艺通过解决CMOS电路随机粗糙度导致的随机应力及传统芯片封装损伤，实现了94.34%的高成品率。所制造的2D闪存单元具有20 ns的快速编程/擦除操作，每比特编程能耗低至 0.644 pJ，且具备良好的可靠性。本研究提出的跨平台系统设计提供了确保采用新兴机制的二维电子学与成熟CMOS平台兼容的方法论。该二维NOR闪存芯片在5 MHz时钟下展现出指令驱动操作、32位并行和随机访问能力。这项工作不仅为超越3D NAND的扩展瓶颈提供了新的蓝图，更重要的是，它为未来实现更高效的存储-计算一体化系统奠定了坚实的基础。
原文详情：A full-featured 2D flash chip enabled by system integration (Nature 2025, DOI: 10.1038/s41586-025-09621-8)
本文由赛恩斯供稿。
