眾所周知，當(dāng)摩爾定律走向終結(jié)，芯片未來(lái)設(shè)計(jì)開始面臨種種困難，由于功能性器件特征尺寸不斷地減小，器件中出現(xiàn)的尺寸效應(yīng)、量子效應(yīng)、短溝道效應(yīng)以及熱效應(yīng)等會(huì)導(dǎo)致器件性能下降甚至失效?；趥鹘y(tǒng)半導(dǎo)體材料的硅基功能性器件已經(jīng)達(dá)到極限。

　　如果從設(shè)計(jì)合理的硬件和算法等方面著手提高性能，達(dá)到的效果始終有限，那么，從新型半導(dǎo)體材料本身出發(fā)去尋找新的器件性能，無(wú)疑是一個(gè)好的方向。

　　2D材料的開始

　　2D材料是一種在厚度方向上僅僅具有單個(gè)或者多個(gè)原子層，并且依靠層間的范德瓦爾斯力堆積而成的層狀材料。一開始2D半導(dǎo)體材料主要圍繞碳基成果展開，包括碳納米管、石墨烯等碳基材料。IBM一項(xiàng)研究表明，相比硅基芯片，石墨烯芯片在性能和功耗方面將有較大提升。比如，硅基芯片制程從7nm推進(jìn)至5nm，芯片速度將有20%的提升;而7nm制程的石墨烯芯片相比7nm制程的硅基芯片，速度提升高達(dá)300%。

　　2D材料的本質(zhì)是延續(xù)電子摩爾定律，很多實(shí)驗(yàn)室的數(shù)據(jù)都能夠證明，碳基2D材料可以較好的延續(xù)電子摩爾定律。隨著基于Si的晶體管溝道越來(lái)越小，即使柵極上沒(méi)有電壓，電流也開始在其上泄漏。而2D材料可以被構(gòu)造成幾個(gè)甚至單個(gè)原子層，從而提供了提供非常薄的溝道區(qū)域的可能性，并且無(wú)需擔(dān)心短溝道效應(yīng)。

　　而在石墨烯被發(fā)現(xiàn)后，由于二維過(guò)渡金屬硫族化合物(TMDCs)具有類似的結(jié)構(gòu)，成為一種新型的類石墨烯材料。因此，除去石墨烯外，以過(guò)渡金屬硫族化合物為代表的如MoS2、WS2、WSe2以及黑磷等材料，也被認(rèn)為是2D材料。其中，研究最廣泛的是二硫化鉬MoS2。理論上，與二硫化鉬相比，電子應(yīng)該更快的穿過(guò)二硫化鎢(另一種 2D 材料)。但在英特爾的實(shí)驗(yàn)中，二硫化鉬器件更勝一籌。

　　實(shí)驗(yàn)報(bào)告，基于MoS2設(shè)備的最高遷移率值接近理論值200cm2/Vs。由于在極薄厚度下具有高遷移率，斯坦福大學(xué)的研究人員也認(rèn)為，在10nm以下工藝中MoS2等過(guò)渡金屬二硫化物 (TMD)是晶體管材料的首要選擇。

　　面對(duì)如何延續(xù)摩爾定律的問(wèn)題，2D材料是強(qiáng)有力的種子選手。但目前來(lái)看，2D材料如何工業(yè)化是一個(gè)需要突破的問(wèn)題。

　　何時(shí)走出實(shí)驗(yàn)室?

　　在工業(yè)生產(chǎn)中，要使整個(gè)半導(dǎo)體行業(yè)采用新材料無(wú)疑是一個(gè)極具顛覆性的過(guò)程。目前的半導(dǎo)體業(yè)想要繼續(xù)保證半導(dǎo)體6000億美元市場(chǎng)的持續(xù)增長(zhǎng)，正在為擴(kuò)展摩爾定律焦頭爛額，但仍沒(méi)有一個(gè)新的技術(shù)能夠保證一定延續(xù)摩爾定律。這也是為什么2D材料開始成為業(yè)界的關(guān)注焦點(diǎn)。

　　但2D材料如今的情況是只能在實(shí)驗(yàn)室中小批量生產(chǎn)，用來(lái)支持學(xué)術(shù)研究。從2D材料繼承到擴(kuò)大工業(yè)化的過(guò)程中面臨著諸多問(wèn)題，其中包括設(shè)計(jì)工具的改變、材料生長(zhǎng)、材料轉(zhuǎn)移和生產(chǎn)線的集成。

　　將2D材料實(shí)現(xiàn)工業(yè)化的第一個(gè)問(wèn)題就是解決設(shè)計(jì)工具和工藝。想要按照目前業(yè)界的良率標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)8英寸或者12英寸的晶圓，并不是一件容易的事情。這其中的每一步都需要專門設(shè)計(jì)和定制專業(yè)的生產(chǎn)工具。

　　從材料生產(chǎn)開始，化學(xué)氣相沉積 (CVD) 是生產(chǎn)石墨烯和其他2D材料(如六方氮化硼)最廣泛使用的工藝。

　　生產(chǎn)石墨烯涉及將加熱的基板在真空中暴露于含碳?xì)怏w。隨著氣體沉積在熱基板表面上，碳會(huì)生長(zhǎng)成石墨烯獨(dú)特的蜂窩狀圖案。這個(gè)過(guò)程需要嚴(yán)格控制溫度和其他參數(shù)，以確保高質(zhì)量的材料可以生長(zhǎng)到所需的晶圓尺寸。

　　生長(zhǎng)過(guò)程之后是干轉(zhuǎn)移過(guò)程，該過(guò)程將材料與生長(zhǎng)襯底分離并將其移動(dòng)到生產(chǎn)晶圓上。

　　這些流程的自動(dòng)化是保證2D材料能夠工業(yè)生產(chǎn)的關(guān)鍵。

　　imec為在12英寸集成流程中采用這些2D材料奠定了基礎(chǔ)。設(shè)計(jì)了一系列流程用于研究各種處理?xiàng)l件的影響并努力提高性能。例如，可以使用金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積(MOCVD)演示2D材料在12英寸晶圓上的高質(zhì)量生長(zhǎng)，該過(guò)程是通過(guò)化學(xué)反應(yīng)在表面沉積晶體的過(guò)程。使用該工具，可以在整個(gè)12英寸晶圓上以單層精度控制厚度。實(shí)驗(yàn)表明，較高的沉積溫度(即950°C)對(duì)鍍層的結(jié)晶度和缺陷率有有益的影響。

　　目前，除了溝道材料的質(zhì)量和缺陷率的控制仍然是提高器件性能的最大挑戰(zhàn)外，另一個(gè)有待解決掉是關(guān)于源極/漏極觸點(diǎn)的接觸電阻，需要降低到可接受的水平。

　　由于原子級(jí)薄的2D材料(如 MoS 2)是擴(kuò)展摩爾定律的候選材料之一，因此必須優(yōu)化它們的觸點(diǎn)，以便它們成為硅的合適替代品或補(bǔ)充品。降低接觸電阻的解決方案，可以實(shí)現(xiàn)更高的電流和更好的節(jié)能效果。

　　對(duì)此，半導(dǎo)體業(yè)也提出不同的解決方法。

　　中國(guó)臺(tái)灣大學(xué)、臺(tái)積電和麻省理工(MIT)便共同發(fā)布了1nm以下芯片重大研究成果，首度提出利用半金屬鉍(Bismuth，化學(xué)符號(hào)Bi)作為2D材料的接觸電極。

　　2022年4月斯坦福大學(xué)開發(fā)了一種在單層二維半導(dǎo)體上制造合金金屬觸點(diǎn)的新技術(shù)。這項(xiàng)研究可以讓這些 2D 半導(dǎo)體晶體管可靠且可重復(fù)地工作。

　　在舊金山舉行的 2021 IEEE 國(guó)際電子設(shè)備會(huì)議 (IEDM 2021) 上，英特爾、斯坦福和臺(tái)積電的研究人員提出在半導(dǎo)體與金屬接觸的地方有尖銳的電阻尖峰。

　　臺(tái)積電則考慮通過(guò)使用半金屬作為觸點(diǎn)材料來(lái)降低半導(dǎo)體和觸點(diǎn)之間的能壘。半金屬(例如銻)是一種處于金屬和半導(dǎo)體之間、并且具有零帶隙的材料，由此產(chǎn)生的肖特基勢(shì)壘非常低。

　　2D半導(dǎo)體材料的未來(lái)路線圖

　　2D 半導(dǎo)體研究始于 2011 年左右。從首次提出至今，石墨烯和2D材料(2DM)在科學(xué)和工程領(lǐng)域的研究已經(jīng)持續(xù)了15年。

　　從國(guó)外進(jìn)度來(lái)看，美國(guó)MIT于2019年開發(fā)用碳納米管制造的超大計(jì)算機(jī)芯片，一顆由1.4萬(wàn)余個(gè)碳納米管晶體管(CNFET)組成的16位微處理器，證明可以完全由CNFET打造超越硅的微處理器。

　　2021年，歐盟“石墨烯旗艦計(jì)劃”，提出了一種將石墨烯和2D材料集成到半導(dǎo)體生產(chǎn)線的新方法，耗資2000萬(wàn)歐元的“二維實(shí)驗(yàn)試驗(yàn)線(2D-EPL)”，旨在成為首家將石墨烯和層狀材料集成到半導(dǎo)體平臺(tái)的石墨烯晶圓廠，將基于2D材料的創(chuàng)新技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室引向規(guī)模化生產(chǎn)和商業(yè)化落地。

　　今年，韓國(guó)科學(xué)技術(shù)研究院宣布，由光電材料與器件中心的 Do Kyung Hwang 博士和物理系的 Kimoon Lee 教授領(lǐng)導(dǎo)的聯(lián)合研究小組在國(guó)立群山大學(xué)通過(guò)開發(fā)新型超薄電極材料(Cl-SnSe2)，成功實(shí)現(xiàn)了基于二維半導(dǎo)體的電子和邏輯器件，其電氣性能可以自由控制。

　　國(guó)內(nèi)方面，對(duì)于2D材料的研究也熱火朝天。

　　中國(guó)松山湖材料實(shí)驗(yàn)室圍繞2D材料研究的關(guān)鍵問(wèn)題，實(shí)驗(yàn)室布局了四大方向，涵蓋了從基礎(chǔ)科研到應(yīng)用探索的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，具體是：2D材料的基礎(chǔ)物理、高通量計(jì)算與理性設(shè)計(jì)，2D材料規(guī)?；苽渑c極限表征，二維體系中的奇異量子現(xiàn)象研究，基于2D材料的兼容工藝研發(fā)與原型器件探索。

　　中國(guó)科學(xué)院金屬研究所于2019年10月制備出“硅-石墨烯-鍺晶體管”，大幅縮短延遲時(shí)間，并將截止頻率由兆赫茲提升至吉赫茲。中國(guó)科學(xué)院物理研究所張廣宇團(tuán)隊(duì)在基于2D材料的透明、柔性器件大規(guī)模制備工藝方面取得突破性進(jìn)展，實(shí)現(xiàn)了柔性襯底上集成度大于?1000?且良品率達(dá)到?97%。

　　此外，北京大學(xué)、南京大學(xué)、復(fù)旦大學(xué)等高校都在2D材料的研究上有所突破。

　　北京大學(xué)物理學(xué)院劉開輝教授、王恩哥院士和俞大鵬院士等圍繞大尺寸二維單晶材料制備展開新機(jī)理探索和核心技術(shù)攻關(guān)，提出并發(fā)展了一套金屬襯底上米級(jí)二維單晶的通用原子制造技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了石墨烯單晶的超快生長(zhǎng)、米級(jí)單晶石墨烯的外延制備、百平方厘米級(jí)單晶氮化硼薄膜制備以及30余種A4尺寸高指數(shù)單晶銅箔庫(kù)的制備。

　　南京大學(xué)王欣然團(tuán)隊(duì)和北京大學(xué)劉開輝團(tuán)隊(duì)成功實(shí)現(xiàn)晶圓級(jí)2D材料單晶的生長(zhǎng)制備，為2D材料的研究與應(yīng)用奠定堅(jiān)實(shí)的材料基礎(chǔ)。

　　復(fù)旦大學(xué)周鵬團(tuán)隊(duì)和中國(guó)科學(xué)院物理研究所高鴻鈞團(tuán)隊(duì)在基于2D材料的浮柵存儲(chǔ)器的研究領(lǐng)域取得突破性進(jìn)展，實(shí)現(xiàn)了納秒級(jí)的寫入及讀取速度，且開關(guān)比高達(dá)10，從而在性能上形成了對(duì)基于傳統(tǒng)半導(dǎo)體技術(shù)的存儲(chǔ)器件的絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。

　　復(fù)旦大學(xué)周鵬團(tuán)隊(duì)致力于基于新型二維(2D)層狀材料的低功耗、高能效電子器件及系統(tǒng)集成研究，致力于2D材料在超快存儲(chǔ)器中的應(yīng)用，包括2D準(zhǔn)非易失性存儲(chǔ)器，半浮柵存儲(chǔ)器和神經(jīng)擬態(tài)突觸電子學(xué)等，近期團(tuán)隊(duì)的研究興趣已擴(kuò)展至基于2D原子晶體的新型存內(nèi)計(jì)算邏輯器件及存算融合系統(tǒng)。

　　2D材料的喜憂參半

　　總體而言，二維半導(dǎo)體器件的前景是喜憂參半。雖然最近的研究表明材料生長(zhǎng)和觸點(diǎn)制造方面取得了重大進(jìn)展，但尚未證明可以與前沿硅競(jìng)爭(zhēng)的設(shè)備。當(dāng)它們確實(shí)出現(xiàn)時(shí)，它們很可能涉及與當(dāng)前晶圓廠不同的材料和工藝。

　　在此前的國(guó)家科技體制改革和創(chuàng)新體系建設(shè)領(lǐng)導(dǎo)小組第十八次會(huì)議上，中共中央政治局委員、國(guó)務(wù)院副總理、國(guó)家科技體制改革和創(chuàng)新體系建設(shè)領(lǐng)導(dǎo)小組組長(zhǎng)劉鶴主持會(huì)議，討論了面向后摩爾時(shí)代的集成電路潛在顛覆性技術(shù)。

　　作為新型半導(dǎo)體材料的2D材料，無(wú)疑是具有顛覆力的選手。但從實(shí)驗(yàn)室到工業(yè)廠，2D材料還需要時(shí)間。