近期，南京大學電子科學與工程學院王欣然教授課題組，同天馬微電子股份有限公司等單位合作，研究突破了二維半導體單晶制備和異質集成關鍵技術，為未來Micro-LED顯示技術發(fā)展提供了全新技術路線。同時，二維半導體從水平和垂直兩個維度，為延續(xù)摩爾定律提供了可能的技術方向，對推動半導體產業(yè)發(fā)展具有重要意義。

　　從水平和垂直兩個維度延續(xù)摩爾定律

　　此前，臺積電在1nm技術中實現關鍵突破，引來了業(yè)內的廣泛關注。據了解，此次關鍵技術突破，在于利用半金屬鉍（Bi）作為二維材料的接觸電極，可大幅降低電阻并提高電流，使其效能幾與硅一致，有助實現未來半導體1nm的挑戰(zhàn)。這也使得二維半導體技術再次映入了人們的眼簾。在突破1nm技術上，二維半導體技術也得到了晶圓代工巨頭臺積電的認可。如今，二維半導體技術被視為延續(xù)摩爾定律的重要技術之一。

　　南京大學電子科學與工程學院教授王欣然向《中國電子報》記者介紹，未來二維半導體可能會從水平和垂直兩個維度延續(xù)摩爾定律，這主要是得益于二維半導體的薄以及可垂直堆疊的特征。

　　王欣然介紹，首先，單層二維半導體最為顯著的特點便是薄，最低可以薄至一個原子的厚度，這也是自然界中的厚度極限。這種薄帶來的最大優(yōu)勢便是在更先進的技術節(jié)點下，比如1nm芯片中，二維半導體芯片并不會出現諸如硅基芯片那樣的功耗問題，進而在硅基半導體達到物理極限之后，二維半導體技術還能保證集成電路技術繼續(xù)按照摩爾先生的預測維持成本、提升性能。

　　其次，二維半導體另一個顯著特點是可以垂直堆疊，堆疊的好處是在同樣的面積下，盡管器件尺寸已不能再縮減，但可以利用垂直空間做更多器件，同樣可以實現集成度和性能提升，這也是延續(xù)摩爾定律的一個思路?！捌鋵崅鹘y的半導體也可以堆疊，但是這些材料的制備需要經過高溫，往往上層的高溫工藝會毀掉下層，而二維半導體的堆疊是在低溫下實現的，上一層器件的制備并不會損傷下層做好電路?！蓖跣廊幌颉吨袊娮訄蟆酚浾弑硎尽?/p>

　　可能給顯示領域帶來顛覆性突破

　　天馬微電子股份有限公司創(chuàng)新中心副總經理秦鋒認為，此次南京大學在二維半導體關鍵技術上的突破，給了顯示行業(yè)一把打開新型領域大門的鑰匙。他認為，在此次研究中，二維半導體薄膜晶體管突破了傳統半導體驅動電路的性能瓶頸，使得Micro-LED顯示器能夠同時兼具高分辨率、高亮度、高響應速度的特點，可滿足超高分辨率下微顯示的需求。

　　“我們注意到二維半導體具有極高的柔性與透明度，這可能將給未來顯示帶來顛覆性的產品，例如，現在的曲面屏僅僅能實現局部的彎曲，如果使用二維半導體驅動，也許未來我們能像折紙一樣將屏幕折疊起來。此外，此項研究還突破了新的二維半導體3D集成技術，這項技術相較于Micro-LED如今的主流技術而言，有可能帶來成本的大幅度下降，對于Micro-LED向消費級市場推廣意義深遠?！?秦鋒對《中國電子報》記者說。

　　復旦大學微電子學院副院長周鵬向《中國電子報》記者介紹，此次南京大學團隊在技術上的突破，主要在于通過改變藍寶石表面原子臺階的方向，人工構筑了 “原子梯田”成核位點，首次實現了2英寸二維單晶薄膜的外延生長，基于該外延材料制備的晶體管成為國際上報道的最高綜合性能之一。該技術具有良好的普適性，為二維半導體在集成電路領域的應用奠定了基礎。

　　據了解，大面積單晶材料的突破，為二維半導體走向應用提供了機會，南京大學團隊基于第三代半導體研究的多年積累，結合最新的二維半導體單晶方案，提出了基于MoS2薄膜晶體管驅動電路、單片集成的超高分辨Micro-LED顯示技術方案。

　　“從硅基芯片的發(fā)展我們便已知道，單晶生長是半導體集成電路最基本的要求，而二維半導體單晶的生長是困擾產學研界很久的難題。因此，我們從底層、微觀的單晶成核生長機制入手進行研究，對單晶生長理論進行了突破，在實驗室層面上進行了驗證的同時，也為單晶材料制備指明了發(fā)展方向，為未來走向應用鋪平了道路。而二維半導體技術在顯示的應用，則展示了二維半導體在后端集成、3D集成兩個備受關注的方向的巨大潛力，同時也是因為儲備了單晶生長這一方向的關鍵技術?！蓖跣廊幌颉吨袊娮訄蟆酚浾哒f道。

　　不在于取代硅而是成為硅技術的補充

　　盡管二維半導體技術正在如火如荼地發(fā)展，但是在技術方面依舊存在著諸多瓶頸有待突破，距離二維半導體的產業(yè)化應用仍待時日。

　　據王欣然介紹，得益于全世界研究人員的勤奮努力，二維半導體僅用了十年便取得了飛躍式的發(fā)展，無論是材料、器件，還是集成電路本身，均起到了推動發(fā)展的作用。但是，挑戰(zhàn)也同樣存在于各個層面，例如，從材料角度而言，南京大學這次實現了2英寸單晶的生長，為更大尺寸單晶指明了方向，但目前硅單晶晶圓已經做到了12英寸甚至更大，二維半導體在這方面仍相距甚遠。

　　此外，器件尺寸距離預期的1nm節(jié)點所需要的性能、均一性、可靠性仍存在巨大差距，器件模型、結構、工藝也沒有形成確定方案。二維材料集成電路設計、架構設計以及原型芯片演示依舊停留在較為初期的階段。

　　“畢竟硅基半導體目前還是在技術金字塔頂端，并且在未來3—5年內硅基半導體通過材料、結構、架構優(yōu)化依舊有較大的提升空間，因此目前硅基依舊占據著性能、功耗、尺寸等全方位優(yōu)勢，這也降低了產業(yè)界的迫切性。同時，硅基的極限也已經被產業(yè)界普遍認可，這也是最近一兩年包括Intel、臺積電等業(yè)界巨頭紛紛開始二維半導體研究的重要原因。”王欣然向《中國電子報》記者表示。

　　此外，周鵬認為，二維半導體的機遇并不在于取代硅，而是在于成為硅技術的補充?！伴L期以來，當下的硅基微電子工藝已經有了的巨大投入和長時間的發(fā)展，才走向了成熟，而二維半導體所需要諸多的非常規(guī)工藝，在可預見的未來，二維半導體不可能完全取代硅，而二維半導體的機會應該在于作為硅技術的補充技術，用于緩解硅基器件面臨的挑戰(zhàn)?！敝荠i告訴《中國電子報》記者說。