隨著人工智能和高性能計(jì)算的快速發(fā)展，算力與電力需求呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，這對(duì)電源管理芯片的供電密度和效率提出了雙重挑戰(zhàn)。在此背景下，電源管理芯片正朝無源元件片上集成化方向發(fā)展，以實(shí)現(xiàn)高密度立體三維供電。然而，傳統(tǒng)硅基無源元件的性能密度已接近物理極限，難以滿足需求。英特爾創(chuàng)始人、“摩爾定律”提出者戈登·摩爾博士指出(Proceedings of the IEEE, 1998, 82)：大容量電容和電感的缺失是集成電子學(xué)發(fā)展的根本性瓶頸。近年來發(fā)展的微型電化學(xué)超級(jí)電容器雖然展現(xiàn)出高電容密度特性，然而其本真靜態(tài)特性難以應(yīng)用于交流高頻信號(hào)為主的集成電路。
 

　　近日，清華大學(xué)集成電路學(xué)院王曉紅團(tuán)隊(duì)在針對(duì)高頻超級(jí)電容器動(dòng)態(tài)響應(yīng)極限的研究中取得突破，該研究首次通過實(shí)驗(yàn)定量測(cè)量了超級(jí)電容器動(dòng)態(tài)響應(yīng)頻率的上限。研究團(tuán)隊(duì)采用微納加工技術(shù)構(gòu)建了無孔隙結(jié)構(gòu)的絕對(duì)平面理想電極，并通過寄生電容屏蔽層結(jié)構(gòu)及外部鎖相環(huán)放大等方法消除干擾，從而首次精確測(cè)定了超級(jí)電容器動(dòng)態(tài)響應(yīng)頻率的上界。在此基礎(chǔ)上，團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性提出“介電-電化學(xué)”非對(duì)稱電容器概念——該器件在低頻段以電化學(xué)效應(yīng)為主，在高頻段則以介電效應(yīng)為主，實(shí)現(xiàn)了頻率響應(yīng)和電容密度的雙重突破。基于該概念制備的微型超級(jí)電容器芯片特征頻率突破1MHz，較商用超級(jí)電容器高出六個(gè)數(shù)量級(jí)，覆蓋主流電源電路工作頻段。
 

圖1. 超越雙電層動(dòng)態(tài)極限的高頻超級(jí)電容器
 

　　此前，團(tuán)隊(duì)成功克服了電化學(xué)器件與半導(dǎo)體器件工藝不兼容的難題，提出跨能域異質(zhì)集成理論與三維架構(gòu)，建立了CMOS兼容的晶圓級(jí)全流程加工體系，并研制出世界首枚集成電化學(xué)電源整流濾波芯片。相關(guān)研究成果以“電化學(xué)與半導(dǎo)體器件晶圓級(jí)異質(zhì)集成構(gòu)建單片集成芯片”(Wafer-level heterogeneous integration of electrochemical devices and semiconductors for a monolithic chip)為題發(fā)表于《國(guó)家科學(xué)評(píng)論》(National Science Review)。
 

圖2. 電化學(xué)與半導(dǎo)體器件晶圓級(jí)異質(zhì)集成構(gòu)建單片集成芯片
 

　　此次的研究成果以“越雙電層動(dòng)態(tài)極限的高頻超級(jí)電容器”(High-frequency supercapacitors surpassing dynamic limit of electrical double layer effects)為題，于4月18日發(fā)表于《自然·通訊》(Nature Communications)。
 

　　清華大學(xué)集成電路學(xué)院2020級(jí)碩士生李張善昊、2021級(jí)博士生許明豪為論文共同第一作者，清華大學(xué)集成電路學(xué)院教授王曉紅與湖南大學(xué)半導(dǎo)體學(xué)院副教授徐思行為論文共同通訊作者。研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目、面上項(xiàng)目等的資助。