2021年度中国半导体十大研究进展

2020年，《半导体学报》启动了第一届“中国半导体十大研究进展”评选活动，旨在遴选我国在半导体基础研究领域的年度标志性成果，获得了广泛关注。近日，《半导体学报》发布第二届“中国半导体十大研究进展”评选活动结果。

2021年的评选活动共有46项成果获得候选推荐资格。2022年1月，由77位半导体领域专家组成的评选委员会经过严格评审，选出10项优秀成果，荣膺2021年度“中国半导体十大研究进展”。同时，有11项成果荣获2021年度“中国半导体十大研究进展”提名奖。

 获奖名单     

    （点击成果名称即可查看详情；排名不分先后）

1.黑砷半导体的Rashba能谷调控与量子霍尔效应

浙江大学许祝安、郑毅团队与中南大学夏庆林合作，首次在直接带隙半导体黑砷的二维电子态中发现了外电场连续、可逆调控的强自旋轨道耦合效应，并报道了全新的自旋-能谷耦合的Rashba物理现象及其反常的量子化行为，为高效率、低能耗自旋电子器件研制和拓扑量子计算的研究提供了新的思路。

该成果发表于《自然》杂志（Nature, 2021, 593: 56–60）。

黑砷中的Rashba能谷调控与量子霍尔器件。

2.二维半导体单晶晶圆的可控制备

北京大学物理学院叶堉研究员课题组提出了一种人工育种，利用相变和重结晶过程制备晶圆尺寸单晶半导体相碲化钼（MoTe2）薄膜的新方法。该二维平面内外延技术，无需以衬底为模板，可以直接在器件基底上实现二维半导体单晶晶圆的可控制备，为二维半导体材料的层间互连提供材料基础。

该成果发表于《科学》杂志（Science, 2021, 372(6538): 195–200）。

晶圆尺寸单晶MoTe2薄膜的晶向表征。

3.探测半导体界面晶格动力学的新谱学方法

北京大学量子材料科学中心高鹏研究组基于扫描透射电子显微镜发展了四维电子能量损失谱技术，突破了传统谱学手段难以在纳米尺度表征晶格动力学的局限，首次实现了半导体异质结界面处局域声子模式的测量。该方法可以直接测量局域声子模式的空间分布和色散关系，从而理解界面热导率和载流子迁移率等物理性质。

该成果发表于《自然》杂志（Nature, 2021, 599: 399–403）。

四维电子能量损失谱测量界面晶格动力学：（a）实验原理示意图；（b）实验测得的声子局域态密度空间分布；（c）界面模式的色散关系。

4.全柔性织物显示系统

复旦大学彭慧胜/陈培宁团队突破传统电子器件三明治结构模型的研究范式，提出在高分子复合纤维交织点构建微型发光器件的新路线，通过解决活性材料在纤维上无法均匀负载和交织界面稳定低的难题，创制出集显示、供能等功能于一体的全柔性织物显示系统，实现了器件制备与织物编织的有机融合，在柔性电子领域开拓出一个新方向。

该成果发表于《自然》杂志（Nature, 2021, 591: 240–245）。

(a) 织物结构示意图，发光经线和导电纬线在施加电压情况下，交织区域的发光材料受激发而发光；(b)，(c) 分别为多色发光织物和发光点照片。

5.基于吸收型量子存储器的多模式量子中继

中国科学技术大学郭光灿院士团队李传锋、周宗权研究组首次基于吸收型量子存储器建立量子中继的基本链路，基于独创的“三明治”结构固态量子存储器，成功演示了多模式的量子中继。该成果为后续的量子中继研究开创了一个可行的方向，目前团队正在开发与硅基器件结合的量子存储技术，未来有望进一步实现可集成的量子网络。

该成果以封面故事论文的形式发表于《自然》杂志（Nature, 2021, 594: 41–45）。

多模式量子中继实验的艺术化示意图。

6.基于同质器件架构的感算存一体化神经形态硬件

华中科技大学叶镭、缪向水团队和中科院上海技术物理研究所胡伟达团队等合作，创新性地基于二维半导体的硅基同质器件，首次提出了类脑功能的“传感-计算-存储一体化”神经形态芯片架构，实现了光电传感、放大运算、信息存储功能的一体化集成，为突破冯·诺依曼瓶颈和实现类脑智能提供了一种全新思路。

该成果发表于《科学》杂志（Science, 2021, 373(6561): 1353–1358）。

类脑功能的感-算-存一体化片上集成硬件。

7.室温和高湿度下稳定的α-FAPbI3钙钛矿及其高效稳定光伏器件

南京工业大学黄维院士、陈永华教授团队创造性地在室温、高湿度下（大于90%）稳定了α-FAPbI3钙钛矿半导体，首次提出了基于甲酸甲胺离子液体溶剂，生长出取向排列且具有纳米级“离子通道”的碘化铅薄膜，实现了稳定α-FAPbI3快速形成。未封装的器件在85 °C持续加热和持续光照下，分别保持其初始效率的80％和90％达500小时。

该成果发表于《科学》杂志（Science, 2021, 371(6536): 1359–1364）。

甲酸甲胺离子液体溶液、碘化铅“离子通道”及光伏器件稳定性。　

8.高亮度轨道角动量单光子固态量子光源

中山大学王雪华、刘进研究团队通过将量子点精确地集成在带有角向光栅的微环腔的波幅位置、并结合超低吸收的零场镜面高反结构，同时实现了单光子的发射增强和轨道角动量的高效提取，在国际上率先实现了可携带轨道角动量的高亮度固态单光子源，有望为高维量子信息处理提供小型化、可集成、易扩展的半导体核心光量子器件。

该成果发表于《自然-纳米技术》杂志（Nature Nanotechnology, 2021, 16(3): 302–307）。

基于量子点-微环腔耦合的高亮度轨道角动量单光子源。　

9.超宽禁带氮化物半导体材料高效p型掺杂

中科院长春光学精密机械与物理研究所黎大兵研究团队与中科院半导体研究所邓惠雄研究员合作，围绕宽禁带氮化物材料p型掺杂的国际难题，针对超高受主激活能的根本物理限制，提出了量子工程非平衡掺杂调控价带顶能级位置从而大幅降低激活能的方法，实现了高空穴浓度p型超宽禁带氮化物材料，为解决宽禁带半导体掺杂问题提供了新思路，有望推动宽禁带半导体产业进一步发展。

该成果发表于《光：科学与应用》杂志（Light: Science & Applications, 2021, 10: 69）。

量子工程非平衡掺杂降低受主激活能物理机制及其在深紫外LED中的应用。

10.硅基片上一体化集成的高能效电容型感知芯片

电容型感知芯片是工业互联网和万物智联时代的数据感知基础设施，北京大学黄如、叶乐研究团队实现了基于国产硅基CMOS工艺的片上一体化集成的动态电荷域高能效电容型感知芯片，通过首次提出的动态电荷域功耗自感知技术和动态范围自适应滑动技术，显著提高了数据感知的能效，解决了复杂工作环境导致的性能退化和可靠性问题，演示了环境湿度感知应用，打破了同类芯片的世界能效记录和国外卡脖子封锁。

该成果发表于集成电路设计国际顶级期刊JSSC（IEEE Journal of Solid-State Circuits, 2021, 56(12): 3560–3572）。

（a）硅基片上一体化集成的高能效电容型感知芯片的顶视显微照片；（b）该芯片的国产CMOS晶圆照片；（c）硅基片上一体化集成的电容型湿度传感器顶视显微照片；（d）电路板演示系统及湿度测试演示。

 提名奖名单     

 （点击成果名称即可查看详情；排名不分先后）

01. 基于阵列碳纳米管的射频晶体管

成果论文：Radiofrequency transistors based on aligned carbon nanotube arrays. Nature Electronics, 2021, 4: 405–415

论文作者：Huiwen Shi, Li Ding, Donglai Zhong, Jie Han, Lijun Liu, Lin Xu, Pengkun Sun, Hui Wang, Jianshuo Zhou, Li Fang, Zhiyong Zhang, and Lian-Mao Peng

02. 迄今最高并行度的神经形态计算方案

成果论文：Scalable massively parallel computing using continuous-time data representation in nanoscale crossbar array. Nature Nanotechnology, 2021, 16: 1079–1085

论文作者：Cong Wang, Shijun Liang, Chenyu Wang, Zaizheng Yang, Yingmeng Ge, Chen Pan, Xi Shen, Wei Wei, Yichen Zhao, Zaichen Zhang, Bin Cheng, Chuan Zhang, and Feng Miao

03. 系统、高性能、多级集成的氮化镓基互补型逻辑电路

成果论文：Gallium nitride-based complementary logic integrated circuits. Nature Electronics, 2021, 4: 595–603

论文作者：Zheyang Zheng, Li Zhang, Wenjie Song, Sirui Feng, Han Xu, Jiahui Sun, Song Yang, Tao Chen, Jin Wei, and Kevin J. Chen

04. 柔性集成偏振敏感放大系统

成果论文：Integrated polarization-sensitive amplification system for digital information transmission. Nature Communications, 2021, 12: 6476

论文作者：Wenhao Ran, Zhihui Ren, Pan Wang, Yongxu Yan, Kai Zhao, Linlin Li, Zhexin Li, Lili Wang, Juehan Yang, Zhongming Wei, Zheng Lou, and Guozhen Shen

05. 高性能半导体魔角激光器

成果论文：Magic-angle lasers in nanostructured moiré superlattice. Nature Nanotechnology, 2021, 16(10): 1099–1105

论文作者：Xinrui Mao, Zengkai Shao, Hongyi Luan, Shaolei Wang, and Renmin Ma

06. 纳米自组装半导体超晶格电子-声子强相互作用与自陷态辐射

成果论文：Zone-folded longitudinal acoustic phonons driving self-trapped state emission in colloidal CdSe nanoplatelet superlattices. Nano Letters, 2021, 21(10): 4137–4144

论文作者：Xinyu Sui, Xiaoqing Gao, Xianxin Wu, Chun Li, Xuekang Yang, Wenna Du, Zhengping Ding, Shengye Jin, Kaifeng Wu, Tze Chien Sum, Peng Gao, Junjie Liu, Xiaoding Wei, Jun Zhang, Qing Zhang, Zhiyong Tang, and Xinfeng Liu

07. 可演化AI芯片

成果论文：Evolver: A deep learning processor with on-device quantization-voltage-frequency tuning. IEEE Journal of Solid-State Circuits, 2021, 56(2): 658–673

论文作者：Fengbin Tu, Weiwei Wu, Yang Wang, Hongjiang Chen, Feng Xiong, Man Shi, Ning Li, Jinyi Deng, Tianbao Chen, Leibo Liu, Shaojun Wei, Yuan Xie, and Shouyi Yin

08. “孪生碳氮、氢氧共济”：高效Z型光催化分解纯水体系构建新思路

成果论文：Boron-doped nitrogen-deficient carbon nitride-based Z-scheme heterostructures for photocatalytic overall water splitting. Nature Energy, 2021, 6: 388–397

论文作者：Daming Zhao, Yiqing Wang, Chungli Dong, Yucheng Huang, Jie Chen, Fei Xue, Shaohua Shen, and Liejin Guo

09. 钙钛矿半导体多晶薄膜“埋底界面”的创新研究方法

成果论文：Buried interfaces in halide perovskite photovoltaics. Adv Mater, 2021, 33(7): 2006435

论文作者：Xiaoyu Yang, Deying Luo, Yuren Xiang, Lichen Zhao, Miguel Anaya, Yonglong Shen, Jiang Wu, Wenqiang Yang, Yu‐Hsien Chiang, Yongguang Tu, Rui Su, Qin Hu, Hongyu Yu, Guosheng Shao, Wei Huang, Thomas P. Russell, Qihuang Gong, Samuel D. Stranks, Wei Zhang, and Rui Zhu

10. 室温半导体微纳器件中热电子的绝热输运

成果论文：Quasiadiabatic electron transport in room temperature nanoelectronic devices induced by hot-phonon bottleneck. Nature Communication, 2021, 12: 4752

论文作者：Qianchun Weng, Le Yang, Zhenghua An, Pingping Chen, Alexander Tzalenchuk, Wei Lu, and Susumu Komiyama

11. 首次实现氮化物半导体二维电子气中自旋的电学注入

成果论文：Electrical spin injection into the 2D electron gas in AlN/GaN heterostructures with ultrathin AlN tunnel barrier. Advanced Functional Materials, 2021, 31: 2009771

论文作者：Xiaoyue Zhang, Ning Tang, Liuyun Yang, Chi Fang, Caihua Wan, Xingchen Liu, Shixiong Zhang, Yunfan Zhang, Xinqiang Wang, Yuan Lu, Weikun Ge, Xiufeng Han, and Bo Shen