清华大学集成电路学院王晓红团队在高频超级电容器研究方面取得新进展

　　随着人工智能和高性能计算的快速发展，算力与电力需求呈指数级增长，这对电源管理芯片的供电密度和效率提出了双重挑战。在此背景下，电源管理芯片正朝无源元件片上集成化方向发展，以实现高密度立体三维供电。然而，传统硅基无源元件的性能密度已接近物理极限，难以满足需求。英特尔创始人、“摩尔定律”提出者戈登·摩尔博士指出(Proceedings of the IEEE, 1998, 82)：大容量电容和电感的缺失是集成电子学发展的根本性瓶颈。近年来发展的微型电化学超级电容器虽然展现出高电容密度特性，然而其本真静态特性难以应用于交流高频信号为主的集成电路。
 

　　近日，清华大学集成电路学院王晓红团队在针对高频超级电容器动态响应极限的研究中取得突破，该研究首次通过实验定量测量了超级电容器动态响应频率的上限。研究团队采用微纳加工技术构建了无孔隙结构的绝对平面理想电极，并通过寄生电容屏蔽层结构及外部锁相环放大等方法消除干扰，从而首次精确测定了超级电容器动态响应频率的上界。在此基础上，团队创新性提出“介电-电化学”非对称电容器概念——该器件在低频段以电化学效应为主，在高频段则以介电效应为主，实现了频率响应和电容密度的双重突破。基于该概念制备的微型超级电容器芯片特征频率突破1MHz，较商用超级电容器高出六个数量级，覆盖主流电源电路工作频段。
 

图1. 超越双电层动态极限的高频超级电容器
 

　　此前，团队成功克服了电化学器件与半导体器件工艺不兼容的难题，提出跨能域异质集成理论与三维架构，建立了CMOS兼容的晶圆级全流程加工体系，并研制出世界首枚集成电化学电源整流滤波芯片。相关研究成果以“电化学与半导体器件晶圆级异质集成构建单片集成芯片”(Wafer-level heterogeneous integration of electrochemical devices and semiconductors for a monolithic chip)为题发表于《国家科学评论》(National Science Review)。
 

图2. 电化学与半导体器件晶圆级异质集成构建单片集成芯片
 

　　此次的研究成果以“越双电层动态极限的高频超级电容器”(High-frequency supercapacitors surpassing dynamic limit of electrical double layer effects)为题，于4月18日发表于《自然·通讯》(Nature Communications)。
 

　　清华大学集成电路学院2020级硕士生李张善昊、2021级博士生许明豪为论文共同第一作者，清华大学集成电路学院教授王晓红与湖南大学半导体学院副教授徐思行为论文共同通讯作者。研究得到国家自然科学基金重点项目、面上项目等的资助。