如果說2004年石墨烯樣品的成功制備是二維材料的第一把火,，那么如今石墨烯以外的其他穩(wěn)定材料將成為“第二把鉆研后硅時(shí)代的火”。研究人員說,，超緊湊，高性能的電子芯片可以克服傳統(tǒng)集成電路面臨的挑戰(zhàn)，并無限期地維持摩爾定律,。為了創(chuàng)建這些高性能芯片，研究人員將利用相對(duì)較新且前景廣闊的二維（2D）材料,。

　　在過去的十年中,，二維材料引起了令人難以置信的興趣。2D材料的興起始于2004年石墨烯樣品的成功制備,。特別是觀察到的高載流子遷移率提高了人們的期望,，即石墨烯可能成為FETs的完美通道材料，并將成為傳統(tǒng)半導(dǎo)體材料的繼任者,。然而,，在石墨烯晶體管研究的早期熱情高漲之后，人們清楚地認(rèn)識(shí)到,，由于石墨烯不具備適當(dāng)?shù)膱?chǎng)效應(yīng)晶體管運(yùn)行所必需的帶隙,，它將無法滿足這些高期望。就在晶體管界對(duì)石墨烯的興趣開始消退之際,，受石墨烯成功制備的啟發(fā),，研究人員深入研究了獲得石墨烯以外穩(wěn)定二維材料的各種選擇，二硫化鉬（MoS2）和二硫化鎢（WS2）等新的面向未來電子產(chǎn)品的2D晶體管的材料正在大受歡迎,。

　　2D材料前景可期

　　我們都知道,，芯片制造主要分為兩個(gè)部分：前端部分由工藝（其中許多工藝需要高溫）組成,，這些工藝會(huì)改變硅本身，例如注入摻雜劑以定義晶體管的各個(gè)部分,；后端部分建立了許多互連層,，這些互連層將晶體管連接在一起以形成電路并提供電源。

　　隨著傳統(tǒng)晶體管縮放越來越困難,，工程師一直在尋找向互連層添加功能的方法,。但單單使用普通的硅工藝以及做不到這一點(diǎn)，因?yàn)樗婕暗臒崃繒?huì)損壞器件及其下方的互連,。因此,，這些方案中的許多方案都依賴于可以在相對(duì)較低的溫度下制成器件的材料。

　　因此2D材料成為各大研究機(jī)構(gòu)的突破口,，二維材料往往比傳統(tǒng)材料要靈活得多,，這使其非常適合最新的電子應(yīng)用，例如柔性顯示器,。在2D電子材料中,，最著名的當(dāng)然是石墨烯，它是一種六角形蜂窩狀碳片,，具有出色的熱電傳導(dǎo)性,，奇數(shù)的光學(xué)功能以及令人難以置信的機(jī)械強(qiáng)度。但是作為制造晶體管的物質(zhì),，石墨烯尚未得到廣泛的應(yīng)用,。因?yàn)槭┤狈叮鴰墩鞘共牧铣蔀榘雽?dǎo)體的關(guān)鍵特性,。

　　取而代之的是,，科學(xué)家和工程師們一直在探索過渡金屬二鹵化物的宇宙，它們的化學(xué)式均為MX2,。它們由十幾種過渡金屬（M）中的一種以及三種硫?qū)僭鼗铮╔）中的一種組成：硫,，硒或碲。二硫化鎢（WS2）,，二硒化鉬（MoS2）和其他幾種可以在單原子層中制成（與石墨烯不同）的天然半導(dǎo)體,。這些材料使得在硅之后，我們將能夠一直縮小晶體管的尺寸,，直至達(dá)到原子薄的組件,。

　　Imec認(rèn)為,，用2D材料制成的設(shè)備值得我們和全球其他研究人員投入其中的所有科學(xué)和工程工作,，因?yàn)樗鼈兛梢韵?dāng)今晶體管的最大問題之一，短溝道效應(yīng),。

　　金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MOSFET）是所有數(shù)字產(chǎn)品中的一種設(shè)備,，它由五個(gè)基本部分組成：源極和漏極,、連接它們的通道區(qū)域、柵極電介質(zhì),，其一側(cè)或多側(cè)覆蓋溝道,，以及與電介質(zhì)接觸的柵電極。在柵極上相對(duì)于源極施加電壓會(huì)在溝道區(qū)域中形成一層移動(dòng)電荷載流子,，從而在源極和漏極之間形成導(dǎo)電橋,，使電流流動(dòng)。

　　但是,，隨著通道越來越小,，即使柵極上沒有電壓，電流也會(huì)越來越多地流經(jīng)通道,，這會(huì)浪費(fèi)功率,。從20世紀(jì)的平面設(shè)計(jì)向當(dāng)今最先進(jìn)的處理器中使用的FinFET晶體管結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變是一種嘗試，它通過使溝道區(qū)域更薄并使柵極在更多的側(cè)面圍繞起來,，來抵消這種重要的短溝道效應(yīng),。

　　Imec認(rèn)為，某些2D半導(dǎo)體可以通過替換設(shè)備通道中的硅來規(guī)避短通道效應(yīng),。2D半導(dǎo)體提供了非常薄的溝道區(qū)域-如果僅使用一層半導(dǎo)體,，則其厚度將與單個(gè)原子一樣薄。由于電流流動(dòng)的這種受限路徑,，當(dāng)設(shè)備即將關(guān)閉時(shí),，電荷載流子幾乎沒有機(jī)會(huì)溜走。這意味著該晶體管可以繼續(xù)縮小,，而不必?fù)?dān)心短溝道效應(yīng)的后果,。

　　使用2D半導(dǎo)體代替某些其他候選半導(dǎo)體的一個(gè)特殊優(yōu)勢(shì)是可能構(gòu)建p型（載帶正電荷）和n型（載帶電子）器件，這是CMOS邏輯的必要條件,。CMOS電路是當(dāng)今邏輯的基礎(chǔ),，因?yàn)槔硐肭闆r下，它們僅在從一種狀態(tài)切換到另一種狀態(tài)時(shí)才消耗功率,。

　　2D材料的最新研究進(jìn)展

　　在后硅電子時(shí)代,，在用原子厚的二維材料制造晶體管，專家認(rèn)為2D半導(dǎo)體如二硫化鉬（MoS2）和二硫化鎢（WS2）可能更適合這項(xiàng)工作,。

　　石墨烯（黑色六角形）和二硫化鉬（藍(lán)色和黃色層狀結(jié)構(gòu)）在其他成分中的晶體管插圖現(xiàn)在,，通過將石墨烯和二硫化鉬結(jié)合，研究人員已經(jīng)制造出一種晶體管,，其工作電壓為原來的一半,，電流密度比目前正在開發(fā)的任何最先進(jìn)的2D晶體管都要高。這將大大降低基于這些2D設(shè)備的集成電路的功耗。

　　布法羅大學(xué)電子工程教授Huamin Li在IEEE國(guó)際電子器件會(huì)議（IEDM）上介紹了該器件,，他說：“我們能夠充分利用2D材料的潛能,，制造出在能源消耗和開關(guān)速度方面表現(xiàn)更好的晶體管?！?/p>

　　有趣的是,，該設(shè)備利用了石墨烯缺乏帶隙的優(yōu)勢(shì)。在晶體管中,，柵電極上的電壓將電荷載流子注入到溝道區(qū)中,，從而在源電極和漏電極之間形成導(dǎo)電路徑。常規(guī)的硅晶體管和2D MoS2晶體管利用了從源發(fā)出高能“熱”電子的優(yōu)勢(shì),。對(duì)于漏極電流每增加十倍（60mV/十倍）,，這就設(shè)置了60毫伏的基本極限。

　　Huamin Li說,，沒有帶隙的石墨烯是“冷”電子源,。這意味著通過溝道區(qū)域?qū)㈦娮影l(fā)送到漏極所需的能量更少。其結(jié)果是,，設(shè)備電流可以更快地接通和關(guān)閉,。

　　李說：“使用這種獨(dú)特的機(jī)制，我們能夠突破切換的基本極限,?！痹撔〗M的1納米厚晶體管僅需29mV即可實(shí)現(xiàn)器件電流10倍的變化?！拔覀兪褂幂^少的電壓來切換器件并控制更多的電流,，因此我們的晶體管更節(jié)能?！?/p>

　　研究人員通過在一層MoS2上疊加一層石墨烯來制作該裝置,。這個(gè)堆疊區(qū)域作為晶體管通道，研究人員將柵極電極沉積在頂部,。石墨烯單層充當(dāng)源極,，而二硫化鉬層作為漏極。

　　山東大學(xué)的研究人員也在IEDM上展示了他們的工作,，他們說,，其他冷源材料，如2D金屬和富電子的n摻雜半導(dǎo)體也可以用來打破60mV/十年的限制,。通過仿真和建模,，他們發(fā)現(xiàn)n摻雜石墨烯可以將電壓降低到24mV。即使簡(jiǎn)單地使用n摻雜的硅,，也可以將其降至33mV,。

　　李說，他和他的同事選擇MoS2作為他們的概念驗(yàn)證設(shè)備，因?yàn)檫@是研究人員長(zhǎng)期了解和研究的2D半導(dǎo)體,。這些小組和其他小組不限于此2D材料。他們還使用二硫化鎢（WS2）和黑磷等材料,。布法羅的李說：“如果其他材料在我們的設(shè)備技術(shù)中能更好地工作,，我們將進(jìn)行探索?！?/p>

　　另據(jù)digitimes報(bào)道,，今年三月臺(tái)積電和交大攜手在《Nature》發(fā)表的在Cu（111）上長(zhǎng)的單晶hBN（hexagonal BoronNitride；六角形氮化硼）,。它的長(zhǎng)晶難處在于由于hBN有兩種相,，而其能量差極為微小，只有0.05eV,，近乎簡(jiǎn)并態(tài)（degenerate state）,。相對(duì)于在長(zhǎng)晶退火時(shí)的能量尺度0.1eV這區(qū)別太小，因此退火后晶體會(huì)呈現(xiàn)不同相的領(lǐng)域（domain）,。解決的方法是先在藍(lán)寶石上長(zhǎng)純粹的Cu（111）晶體,，由于Cu在邊界有垂直的邊緣，這個(gè)邊緣有偏好的方向性,，可以打破簡(jiǎn)并態(tài)的對(duì)稱性,，因此利用此邊界可以在Cu （111）上長(zhǎng)成單晶的hBN。單晶的hBN可以置于MoS2與其上高k介電質(zhì)HfO2之間,，減少HfO2邊緣懸空鍵對(duì)于在MoS2中流動(dòng)電子的誘捕和散射,。

　　此外，臺(tái)積電的研究人員也在IEDM上發(fā)表了有關(guān)碳納米管的進(jìn)展,，該團(tuán)隊(duì)發(fā)明了一種生產(chǎn)更好的柵極電介質(zhì)（gate dielectric）的工藝,。十多年前，硅半導(dǎo)體工業(yè)通過切換到新的介電材料二氧化鉿（hafnium dioxide）解決了電流泄漏并浪費(fèi)能量的問題,。而碳納米管的問題在于,，它們不允許在控制按比例縮小的設(shè)備所需的薄層中形成電介質(zhì)。形成high-k電介質(zhì)一直是一個(gè)大問題,。

　　臺(tái)積電的Matthias Passlack和UCSD的Andrew Kummel教授提出了一種解決方案,，將HfO2的原子層沉積與沉積中間介電常數(shù)材料氧化鋁的新方法結(jié)合在一起。Al2O3是使用UCSD發(fā)明的納米霧工藝沉積的,。像水蒸氣凝結(jié)形成霧一樣,，Al2O3凝結(jié)成簇，覆蓋納米管表面,。然后可以使用該界面電介質(zhì)作為立足點(diǎn)開始HfO2的原子層沉積,。

　　這兩種電介質(zhì)的綜合電學(xué)特性使該團(tuán)隊(duì)能夠構(gòu)建一種器件，該器件的柵極電介質(zhì)在寬度僅為15納米的柵極下的厚度小于4納米。最終的器件具有與硅CMOS器件相似的開/關(guān)電流比特性,，并且仿真表明,，即使具有較小柵極電介質(zhì)的較小器件也能正常工作。

　　三星最近也在《Nature》發(fā)表了非晶相氮化硼（a-BN,；amorphous BN）,，用途是在金屬導(dǎo)線四周的介電質(zhì)。a-BN的介電常數(shù)大,、密度高,，能減少金屬導(dǎo)線上的銅離子遷移。

　　位于比利時(shí)魯汶的Imec公司正把賭注壓在WS2上,，該公司的研究人員認(rèn)為,，WS2應(yīng)該能生產(chǎn)出有史以來性能最高的設(shè)備。兩年前,，imec項(xiàng)目總監(jiān)Iuliana Radu和她的團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種將高質(zhì)量的WS2單層放置在300mm硅片上的技術(shù),。他們現(xiàn)在報(bào)告說，他們可以在晶片規(guī)模上制造WS2晶體管,?！斑@項(xiàng)工作為二維材料的工業(yè)應(yīng)用鋪平了道路，”他們說,。

　　令據(jù)eenewseurope的報(bào)道,，瑞士EPFL的工程師已經(jīng)開發(fā)出了一種芯片的生產(chǎn)技術(shù)，EPFL的納米級(jí)電子和結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室（LANES）使用2D MoS2層在一個(gè)稱為浮柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管（FGFET）的設(shè)備中結(jié)合了存儲(chǔ)和邏輯,。MoS2的電氣特性使其對(duì)FGFET中存儲(chǔ)的電荷特別敏感,，這使LANES工程師能夠開發(fā)既可以用作存儲(chǔ)器存儲(chǔ)單元又可以用作可編程晶體管的電路。將其用于邏輯和內(nèi)存非常適合于機(jī)器學(xué)習(xí)算法,。這些晶體管已經(jīng)在相機(jī),，智能手機(jī)和計(jì)算機(jī)的閃存系統(tǒng)中使用。

　　LANES開發(fā)的內(nèi)存中邏輯架構(gòu)避免了因移動(dòng)數(shù)據(jù)而造成的功率損耗,。雖然以前已經(jīng)制造了單個(gè)設(shè)備的原型,，但該團(tuán)隊(duì)已經(jīng)開發(fā)了一個(gè)批處理過程，一次可生產(chǎn)80個(gè)設(shè)備,。該團(tuán)隊(duì)說,，這些設(shè)備的通道長(zhǎng)度為1um，但是2D材料的尺寸可以縮小到12nm以下,。

　　結(jié)語

　　電子應(yīng)用2D材料的研究是一個(gè)新的領(lǐng)域,，從第一個(gè)石墨烯、二硫化鉬和磷烯MOSFET分別于2007年,、2011年和2014年被報(bào)道的事實(shí)可以看出,。鑒于這段短暫的歷史,，迄今為止其取得的成就是顯著的，人們也期待著進(jìn)一步的進(jìn)步,。但是說實(shí)話,，評(píng)估二維材料在電子領(lǐng)域的真正潛力是極其困難的。

　　但是業(yè)界能注意到2D材料的多樣性既是一件好事,，也是一件壞事,。對(duì)研究人員來說，2D材料是激動(dòng)人心的科學(xué)的一個(gè)新的廣泛領(lǐng)域,，這是一件好事；但也有一件壞事,，那就是研究資金將遍布多種材料,。但資助和研究活動(dòng)遲早需要集中在有限數(shù)量的有前途的2D材料上。

　　早在2014年,，電氣與電子學(xué)教授Kaustav Banerje在一篇文章中就首次公開了將2D材料和3D集成實(shí)踐結(jié)合在一起可以使摩爾定律持續(xù)發(fā)展,。總之,，我們相信,，某些2D材料最終會(huì)在電子領(lǐng)域得到應(yīng)用，2D半導(dǎo)體將在未來的硅芯片領(lǐng)域占據(jù)一席,。