隨著人工智能和高性能計算的快速發(fā)展，算力與電力需求呈指數(shù)級增長，這對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發(fā)展的根本性瓶頸。近年來發(fā)展的微型電化學超級電容器雖然展現(xiàn)出高電容密度特性，然而其本真靜態(tài)特性難以應用于交流高頻信號為主的集成電路。

近日，清華大學集成電路學院王曉紅團隊在針對高頻超級電容器動態(tài)響應極限的研究中取得突破，該研究首次通過實驗定量測量了超級電容器動態(tài)響應頻率的上限。研究團隊采用微納加工技術構建了無孔隙結構的絕對平面理想電極，并通過寄生電容屏蔽層結構及外部鎖相環(huán)放大等方法消除干擾，從而首次精確測定了超級電容器動態(tài)響應頻率的上界。在此基礎上，團隊創(chuàng)新性提出“介電-電化學”非對稱電容器概念——該器件在低頻段以電化學效應為主，在高頻段則以介電效應為主，實現(xiàn)了頻率響應和電容密度的雙重突破。基于該概念制備的微型超級電容器芯片特征頻率突破1MHz，較商用超級電容器高出六個數(shù)量級，覆蓋主流電源電路工作頻段。

圖1. 超越雙電層動態(tài)極限的高頻超級電容器

此前，團隊成功克服了電化學器件與半導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，建立了CMOS兼容的晶圓級全流程加工體系，并研制出世界首枚集成電化學電源整流濾波芯片。相關研究成果以“電化學與半導體器件晶圓級異質(zhì)集成構建單片集成芯片”（Wafer-level heterogeneous integration of electrochemical devices and semiconductors for a monolithic chip）為題發(fā)表于《國家科學評論》（National Science Review）。

圖2. 電化學與半導體器件晶圓級異質(zhì)集成構建單片集成芯片

此次的研究成果以“越雙電層動態(tài)極限的高頻超級電容器”（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）。

清華大學集成電路學院2020級碩士生李張善昊、2021級博士生許明豪為論文共同第一作者，清華大學集成電路學院教授王曉紅與湖南大學半導體學院副教授徐思行為論文共同通訊作者。研究得到國家自然科學基金重點項目、面上項目等的資助。