清華大學科研團隊在高頻超級電容器研究方面取得新進展

著人工智能和高性能計算的快速發展，算力與電力需求呈指數級增長，這對電源管理芯片的供電密度和效率提出了雙重挑戰。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展，以實現高密度立體三維供電。然而，傳統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展的根本性瓶頸。近年來發展的微型電化學超級電容器雖然展現出高電容密度特性，然而其本真靜態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響應頻率的上界。

在此基礎上，團隊創新性提出“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，實現了頻率響應和電容密度的雙重突破?；谠摳拍钪苽涞奈⑿统夒娙萜餍酒卣黝l率突破1MHz，較商用超級電容器高出六個數量級，覆蓋主流電源電路工作頻段。

王曉紅教授團隊近年來系統性地開展了高頻超級電容器動態機制、晶圓加工方法與芯片集成技術等方面的研究。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。