眾所周知，當(dāng)摩爾定律走向終結(jié)，芯片未來設(shè)計開始面臨種種困難，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，無疑是一個好的方向。

2D材料的開始

2D材料是一種在厚度方向上僅僅具有單個或者多個原子層，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，很多實驗室的數(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的晶體管溝道越來越小，即使柵極上沒有電壓，電流也開始在其上泄漏。而2D材料可以被構(gòu)造成幾個甚至單個原子層，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)該更快的穿過二硫化鎢（另一種 2D 材料）。但在英特爾的實驗中，二硫化鉬器件更勝一籌。

實驗報告，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等過渡金屬二硫化物 （TMD）是晶體管材料的首要選擇。

面對如何延續(xù)摩爾定律的問題，2D材料是強有力的種子選手。但目前來看，2D材料如何工業(yè)化是一個需要突破的問題。

何時走出實驗室？

在工業(yè)生產(chǎn)中，要使整個半導(dǎo)體行業(yè)采用新材料無疑是一個極具顛覆性的過程。目前的半導(dǎo)體業(yè)想要繼續(xù)保證半導(dǎo)體6000億美元市場的持續(xù)增長，正在為擴展摩爾定律焦頭爛額，但仍沒有一個新的技術(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。

但2D材料如今的情況是只能在實驗室中小批量生產(chǎn)，用來支持學(xué)術(shù)研究。從2D材料繼承到擴大工業(yè)化的過程中面臨著諸多問題，其中包括設(shè)計工具的改變、材料生長、材料轉(zhuǎn)移和生產(chǎn)線的集成。

將2D材料實現(xiàn)工業(yè)化的第一個問題就是解決設(shè)計工具和工藝。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，碳會生長成石墨烯獨特的蜂窩狀圖案。這個過程需要嚴(yán)格控制溫度和其他參數(shù)，以確保高質(zhì)量的材料可以生長到所需的晶圓尺寸。

生長過程之后是干轉(zhuǎn)移過程，該過程將材料與生長襯底分離并將其移動到生產(chǎn)晶圓上。

這些流程的自動化是保證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)計了一系列流程用于研究各種處理條件的影響并努力提高性能。例如，可以使用金屬有機化學(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，該過程是通過化學(xué)反應(yīng)在表面沉積晶體的過程。使用該工具，可以在整個12英寸晶圓上以單層精度控制厚度。實驗表明，較高的沉積溫度（即950°C）對鍍層的結(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，另一個有待解決掉是關(guān)于源極／漏極觸點的接觸電阻，需要降低到可接受的水平。

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

對此，半導(dǎo)體業(yè)也提出不同的解決方法。

中國臺灣大學(xué)、臺積電和麻省理工（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的新技術(shù)。這項研究可以讓這些 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 國際電子設(shè)備會議 （IEDM 2021） 上，英特爾、斯坦福和臺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。

臺積電則考慮通過使用半金屬作為觸點材料來降低半導(dǎo)體和觸點之間的能壘。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)生的肖特基勢壘非常低。

2D半導(dǎo)體材料的未來路線圖

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。

從國外進(jìn)度來看，美國MIT于2019年開發(fā)用碳納米管制造的超大計算機芯片，一顆由1．4萬余個碳納米管晶體管（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2000萬歐元的“二維實驗試驗線（2D－EPL）”，旨在成為首家將石墨烯和層狀材料集成到半導(dǎo)體平臺的石墨烯晶圓廠，將基于2D材料的創(chuàng)新技術(shù)從實驗室引向規(guī)?；a(chǎn)和商業(yè)化落地。

今年，韓國科學(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)合研究小組在國立群山大學(xué)通過開發(fā)新型超薄電極材料（Cl－SnSe2），成功實現(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。

國內(nèi)方面，對于2D材料的研究也熱火朝天。

中國松山湖材料實驗室圍繞2D材料研究的關(guān)鍵問題，實驗室布局了四大方向，涵蓋了從基礎(chǔ)科研到應(yīng)用探索的關(guān)鍵節(jié)點，具體是：2D材料的基礎(chǔ)物理、高通量計算與理性設(shè)計，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”，大幅縮短延遲時間，并將截止頻率由兆赫茲提升至吉赫茲。中國科學(xué)院物理研究所張廣宇團隊在基于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二維單晶的通用原子制造技術(shù)，實現(xiàn)了石墨烯單晶的超快生長、米級單晶石墨烯的外延制備、百平方厘米級單晶氮化硼薄膜制備以及30余種A4尺寸高指數(shù)單晶銅箔庫的制備。

南京大學(xué)王欣然團隊和北京大學(xué)劉開輝團隊成功實現(xiàn)晶圓級2D材料單晶的生長制備，為2D材料的研究與應(yīng)用奠定堅實的材料基礎(chǔ)。

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

復(fù)旦大學(xué)周鵬團隊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材料在超快存儲器中的應(yīng)用，包括2D準(zhǔn)非易失性存儲器，半浮柵存儲器和神經(jīng)擬態(tài)突觸電子學(xué)等，近期團隊的研究興趣已擴展至基于2D原子晶體的新型存內(nèi)計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和觸點制造方面取得了重大進(jìn)展，但尚未證明可以與前沿硅競爭的設(shè)備。當(dāng)它們確實出現(xiàn)時，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)小組第十八次會議上，中共中央政治局委員、國務(wù)院副總理、國家科技體制改革和創(chuàng)新體系建設(shè)領(lǐng)導(dǎo)小組組長劉鶴主持會議，討論了面向后摩爾時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，無疑是具有顛覆力的選手。但從實驗室到工業(yè)廠，2D材料還需要時間。