(來(lái)源：投資界 公衆号：半導體産業縱橫)衆所周知，當摩爾定律走向終結，芯片未來(lái)設計開始面臨種種困難，由于(yú)功能性器件特征尺寸不(bù)斷地(dì / de)減小，器件中出(chū)現的(de)尺寸效應、量子(zǐ)效應、短溝道(dào)效應以(yǐ)及熱效應等會導緻器件性能下降甚至失效。基于(yú)傳統半導體材料的(de)矽基功能性器件已經達到(dào)極限。

如果從設計合理的(de)硬件和(hé / huò)算法等方面着手提高性能，達到(dào)的(de)效果始終有限，那麽，從新型半導體材料本身出(chū)發去尋找新的(de)器件性能，無疑是(shì)一(yī / yì ／yí)個(gè)好的(de)方向。

01

2D材料的(de)開始

2D材料是(shì)一(yī / yì ／yí)種在(zài)厚度方向上(shàng)僅僅具有單個(gè)或者多個(gè)原子(zǐ)層，并且依靠層間的(de)範德瓦爾斯力堆積而(ér)成的(de)層狀材料。一(yī / yì ／yí)開始2D半導體材料主要(yào / yāo)圍繞碳基成果展開，包括碳納米管、石墨烯等碳基材料。IBM一(yī / yì ／yí)項研究表明，相比矽基芯片，石墨烯芯片在(zài)性能和(hé / huò)功耗方面将有較大(dà)提升。比如，矽基芯片制程從7nm推進至5nm，芯片速度将有20%的(de)提升；而(ér)7nm制程的(de)石墨烯芯片相比7nm制程的(de)矽基芯片，速度提升高達300%。

2D材料的(de)本質是(shì)延續電子(zǐ)摩爾定律，很多實驗室的(de)數據都能夠證明，碳基2D材料可以(yǐ)較好的(de)延續電子(zǐ)摩爾定律。随着基于(yú)Si的(de)晶體管溝道(dào)越來(lái)越小，即使栅極上(shàng)沒有電壓，電流也(yě)開始在(zài)其上(shàng)洩漏。而(ér)2D材料可以(yǐ)被構造成幾個(gè)甚至單個(gè)原子(zǐ)層，從而(ér)提供了(le／liǎo)提供非常薄的(de)溝道(dào)區域的(de)可能性，并且無需擔心短溝道(dào)效應。

而(ér)在(zài)石墨烯被發現後，由于(yú)二維過渡金屬硫族化合物（TMDCs）具有類似的(de)結構，成爲(wéi / wèi)一(yī / yì ／yí)種新型的(de)類石墨烯材料。因此，除去石墨烯外，以(yǐ)過渡金屬硫族化合物爲(wéi / wèi)代表的(de)如MoS2、WS2、WSe2以(yǐ)及黑磷等材料，也(yě)被認爲(wéi / wèi)是(shì)2D材料。其中，研究最廣泛的(de)是(shì)二硫化钼MoS2。理論上(shàng)，與二硫化钼相比，電子(zǐ)應該更快的(de)穿過二硫化鎢（另一(yī / yì ／yí)種 2D 材料）。但在(zài)英特爾的(de)實驗中，二硫化钼器件更勝一(yī / yì ／yí)籌。

實驗報告，基于(yú)MoS2設備的(de)*遷移率值接近理論值200cm2/Vs。由于(yú)在(zài)極薄厚度下具有高遷移率，斯坦福大(dà)學的(de)研究人(rén)員也(yě)認爲(wéi / wèi)，在(zài)10nm以(yǐ)下工藝中MoS2等過渡金屬二硫化物 (TMD)是(shì)晶體管材料的(de)首要(yào / yāo)選擇。

面對如何延續摩爾定律的(de)問題，2D材料是(shì)強有力的(de)種子(zǐ)選手。但目前來(lái)看，2D材料如何工業化是(shì)一(yī / yì ／yí)個(gè)需要(yào / yāo)突破的(de)問題。

02

何時(shí)走出(chū)實驗室？

在(zài)工業生産中，要(yào / yāo)使整個(gè)半導體行業采用新材料無疑是(shì)一(yī / yì ／yí)個(gè)*颠覆性的(de)過程。目前的(de)半導體業想要(yào / yāo)繼續保證半導體6000億美元市場的(de)持續增長，正在(zài)爲(wéi / wèi)擴展摩爾定律焦頭爛額，但仍沒有一(yī / yì ／yí)個(gè)新的(de)技術能夠保證一(yī / yì ／yí)定延續摩爾定律。這(zhè)也(yě)是(shì)爲(wéi / wèi)什麽2D材料開始成爲(wéi / wèi)業界的(de)關注焦點。

但2D材料如今的(de)情況是(shì)隻能在(zài)實驗室中小批量生産，用來(lái)支持學術研究。從2D材料繼承到(dào)擴大(dà)工業化的(de)過程中面臨着諸多問題，其中包括設計工具的(de)改變、材料生長、材料轉移和(hé / huò)生産線的(de)集成。

将2D材料實現工業化的(de)*個(gè)問題就(jiù)是(shì)解決設計工具和(hé / huò)工藝。想要(yào / yāo)按照目前業界的(de)良率标準生産8英寸或者12英寸的(de)晶圓，并不(bù)是(shì)一(yī / yì ／yí)件容易的(de)事情。這(zhè)其中的(de)每一(yī / yì ／yí)步都需要(yào / yāo)專門設計和(hé / huò)定制專業的(de)生産工具。

從材料生産開始，化學氣相沉積 (CVD) 是(shì)生産石墨烯和(hé / huò)其他(tā)2D材料（如六方氮化硼）最廣泛使用的(de)工藝。

生産石墨烯涉及将加熱的(de)基闆在(zài)真空中暴露于(yú)含碳氣體。随着氣體沉積在(zài)熱基闆表面上(shàng)，碳會生長成石墨烯獨特的(de)蜂窩狀圖案。這(zhè)個(gè)過程需要(yào / yāo)嚴格控制溫度和(hé / huò)其他(tā)參數，以(yǐ)确保高質量的(de)材料可以(yǐ)生長到(dào)所需的(de)晶圓尺寸。

生長過程之(zhī)後是(shì)幹轉移過程，該過程将材料與生長襯底分離并将其移動到(dào)生産晶圓上(shàng)。

這(zhè)些流程的(de)自動化是(shì)保證2D材料能夠工業生産的(de)關鍵。

imec爲(wéi / wèi)在(zài)12英寸集成流程中采用這(zhè)些2D材料奠定了(le／liǎo)基礎。設計了(le／liǎo)一(yī / yì ／yí)系列流程用于(yú)研究各種處理條件的(de)影響并努力提高性能。例如，可以(yǐ)使用金屬有機化學氣相沉積（MOCVD）演示2D材料在(zài)12英寸晶圓上(shàng)的(de)高質量生長，該過程是(shì)通過化學反應在(zài)表面沉積晶體的(de)過程。使用該工具，可以(yǐ)在(zài)整個(gè)12英寸晶圓上(shàng)以(yǐ)單層精度控制厚度。實驗表明，較高的(de)沉積溫度（即950°C）對鍍層的(de)結晶度和(hé / huò)缺陷率有有益的(de)影響。

目前，除了(le／liǎo)溝道(dào)材料的(de)質量和(hé / huò)缺陷率的(de)控制仍然是(shì)提高器件性能的(de)*挑戰外，另一(yī / yì ／yí)個(gè)有待解決掉是(shì)關于(yú)源極/漏極觸點的(de)接觸電阻，需要(yào / yāo)降低到(dào)可接受的(de)水平。

由于(yú)原子(zǐ)級薄的(de)2D材料（如 MoS 2）是(shì)擴展摩爾定律的(de)候選材料之(zhī)一(yī / yì ／yí)，因此必須優化它們的(de)觸點，以(yǐ)便它們成爲(wéi / wèi)矽的(de)合适替代品或補充品。降低接觸電阻的(de)解決方案，可以(yǐ)實現更高的(de)電流和(hé / huò)更好的(de)節能效果。

對此，半導體業也(yě)提出(chū)不(bù)同的(de)解決方法。

中國(guó)台灣大(dà)學、台積電和(hé / huò)麻省理工（MIT）便共同發布了(le／liǎo)1nm以(yǐ)下芯片重大(dà)研究成果，首度提出(chū)利用半金屬铋（Bismuth，化學符号Bi）作爲(wéi / wèi)2D材料的(de)接觸電極。

2022年4月斯坦福大(dà)學開發了(le／liǎo)一(yī / yì ／yí)種在(zài)單層二維半導體上(shàng)制造合金金屬觸點的(de)新技術。這(zhè)項研究可以(yǐ)讓這(zhè)些 2D 半導體晶體管可靠且可重複地(dì / de)工作。

在(zài)舊金山舉行的(de) 2021 IEEE 國(guó)際電子(zǐ)設備會議 (IEDM2021) 上(shàng)，英特爾、斯坦福和(hé / huò)台積電的(de)研究人(rén)員提出(chū)在(zài)半導體與金屬接觸的(de)地(dì / de)方有尖銳的(de)電阻尖峰。

台積電則考慮通過使用半金屬作爲(wéi / wèi)觸點材料來(lái)降低半導體和(hé / huò)觸點之(zhī)間的(de)能壘。半金屬（例如銻）是(shì)一(yī / yì ／yí)種處于(yú)金屬和(hé / huò)半導體之(zhī)間、并且具有零帶隙的(de)材料，由此産生的(de)肖特基勢壘非常低。

03

2D半導體材料的(de)未來(lái)路線圖

2D 半導體研究始于(yú) 2011 年左右。從*提出(chū)至今，石墨烯和(hé / huò)2D材料(2DM)在(zài)科學和(hé / huò)工程領域的(de)研究已經持續了(le／liǎo)15年。

從國(guó)外進度來(lái)看，美國(guó)MIT于(yú)2019年開發用碳納米管制造的(de)超大(dà)計算機芯片，一(yī / yì ／yí)顆由1.4萬餘個(gè)碳納米管晶體管（CNFET）組成的(de)16位微處理器，證明可以(yǐ)完全由CNFET打造超越矽的(de)微處理器。

2021年，歐盟“石墨烯旗艦計劃”，提出(chū)了(le／liǎo)一(yī / yì ／yí)種将石墨烯和(hé / huò)2D材料集成到(dào)半導體生産線的(de)新方法，耗資2000萬歐元的(de)“二維實驗試驗線（2D-EPL）”，旨在(zài)成爲(wéi / wèi)首家将石墨烯和(hé / huò)層狀材料集成到(dào)半導體平台的(de)石墨烯晶圓廠，将基于(yú)2D材料的(de)創新技術從實驗室引向規模化生産和(hé / huò)商業化落地(dì / de)。

今年，韓國(guó)科學技術研究院宣布，由光電材料與器件中心的(de) Do Kyung Hwang 博士和(hé / huò)物理系的(de) KimoonLee 教授領導的(de)聯合研究小組在(zài)國(guó)立群山大(dà)學通過開發新型超薄電極材料（Cl-SnSe2），成功實現了(le／liǎo)基于(yú)二維半導體的(de)電子(zǐ)和(hé / huò)邏輯器件，其電氣性能可以(yǐ)自由控制。

國(guó)内方面，對于(yú)2D材料的(de)研究也(yě)熱火朝天。

中國(guó)松山湖材料實驗室圍繞2D材料研究的(de)關鍵問題，實驗室布局了(le／liǎo)四大(dà)方向，涵蓋了(le／liǎo)從基礎科研到(dào)應用探索的(de)關鍵節點，具體是(shì)：2D材料的(de)基礎物理、高通量計算與理性設計，2D材料規模化制備與極限表征，二維體系中的(de)奇異量子(zǐ)現象研究，基于(yú)2D材料的(de)兼容工藝研發與原型器件探索。

中國(guó)科學院金屬研究所于(yú)2019年10月制備出(chū)“矽-石墨烯-鍺晶體管”，大(dà)幅縮短延遲時(shí)間，并将截止頻率由兆赫茲提升至吉赫茲。中國(guó)科學院物理研究所張廣宇團隊在(zài)基于(yú)2D材料的(de)透明、柔性器件大(dà)規模制備工藝方面取得突破性進展，實現了(le／liǎo)柔性襯底上(shàng)集成度大(dà)于(yú)?1000?且良品率達到(dào)?97%。

此外，北京大(dà)學、南京大(dà)學、複旦大(dà)學等高校都在(zài)2D材料的(de)研究上(shàng)有所突破。

北京大(dà)學物理學院劉開輝教授、王恩哥院士和(hé / huò)俞大(dà)鵬院士等圍繞大(dà)尺寸二維單晶材料制備展開新機理探索和(hé / huò)核心技術攻關，提出(chū)并發展了(le／liǎo)一(yī / yì ／yí)套金屬襯底上(shàng)米級二維單晶的(de)通用原子(zǐ)制造技術，實現了(le／liǎo)石墨烯單晶的(de)超快生長、米級單晶石墨烯的(de)外延制備、百平方厘米級單晶氮化硼薄膜制備以(yǐ)及30餘種A4尺寸高指數單晶銅箔庫的(de)制備。

南京大(dà)學王欣然團隊和(hé / huò)北京大(dà)學劉開輝團隊成功實現晶圓級2D材料單晶的(de)生長制備，爲(wéi / wèi)2D材料的(de)研究與應用奠定堅實的(de)材料基礎。

複旦大(dà)學周鵬團隊和(hé / huò)中國(guó)科學院物理研究所高鴻鈞團隊在(zài)基于(yú)2D材料的(de)浮栅存儲器的(de)研究領域取得突破性進展，實現了(le／liǎo)納秒級的(de)寫入及讀取速度，且開關比高達10，從而(ér)在(zài)性能上(shàng)形成了(le／liǎo)對基于(yú)傳統半導體技術的(de)存儲器件的(de)*優勢。

複旦大(dà)學周鵬團隊緻力于(yú)基于(yú)新型二維（2D）層狀材料的(de)低功耗、高能效電子(zǐ)器件及系統集成研究，緻力于(yú)2D材料在(zài)超快存儲器中的(de)應用，包括2D準非易失性存儲器，半浮栅存儲器和(hé / huò)神經拟态突觸電子(zǐ)學等，近期團隊的(de)研究興趣已擴展至基于(yú)2D原子(zǐ)晶體的(de)新型存内計算邏輯器件及存算融合系統。

04

2D材料的(de)喜憂參半

總體而(ér)言，二維半導體器件的(de)前景是(shì)喜憂參半。雖然最近的(de)研究表明材料生長和(hé / huò)觸點制造方面取得了(le／liǎo)重大(dà)進展，但尚未證明可以(yǐ)與前沿矽競争的(de)設備。當它們确實出(chū)現時(shí)，它們很可能涉及與當前晶圓廠不(bù)同的(de)材料和(hé / huò)工藝。

在(zài)此前的(de)國(guó)家科技體制改革和(hé / huò)創新體系建設領導小組第十八次會議上(shàng)，中共中央政治局委員、國(guó)務院副總理、國(guó)家科技體制改革和(hé / huò)創新體系建設領導小組組長劉鶴主持會議，讨論了(le／liǎo)面向後摩爾時(shí)代的(de)集成電路潛在(zài)颠覆性技術。

作爲(wéi / wèi)新型半導體材料的(de)2D材料，無疑是(shì)具有颠覆力的(de)選手。但從實驗室到(dào)工業廠，2D材料還需要(yào / yāo)時(shí)間。