從首次提出至今，石墨烯和二維材料(2DM)在科學(xué)和工程領(lǐng)域的研究已經(jīng)持續(xù)了15年,。大量的可用數(shù)據(jù)和高性能的器件演示讓人們毫不懷疑二維材料在電子,、光電子和傳感領(lǐng)域中的應(yīng)用潛力。那么采用二維材料的集成芯片和產(chǎn)品在哪里?在本篇文章,，我們通過總結(jié)目前阻礙二維材料應(yīng)用的主要挑戰(zhàn)和機(jī)遇來回答這個問題,。

　　制造技術(shù)

　　在我們看來，這個問題可以通過比較二維材料和標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體材料的制造準(zhǔn)備水平來得出結(jié)論,。當(dāng)前缺乏將二維材料引入硅（Si）半導(dǎo)體工廠產(chǎn)線的解決方案,，這些“單元工藝”（unit processes）將二維材料與硅互補(bǔ)型金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）芯片集成在生產(chǎn)線后端或前端。目前來看,，二維材料的沉積和生長技術(shù)可以適用于晶圓規(guī)模,，但是缺陷和污染還不符合大規(guī)模生產(chǎn)的需求。

　　一般來說，高質(zhì)量的材料通常需要較高的工藝溫度,，這加劇了晶圓直接生長的復(fù)雜性,，但同時也讓轉(zhuǎn)移技術(shù)變得更受歡迎。理論上,，晶圓鍵合技術(shù)可以解決這個問題,，但顯然這項(xiàng)技術(shù)沒有達(dá)到完善的制造水平。在設(shè)備層面,，二維材料面臨的挑戰(zhàn)就是介質(zhì)（dielectric）和接觸界面（contact interfaces ）的控制,。二維材料表面的自鈍化（ self-passivate）性質(zhì)需要用可制造的方法（例如通過原子層沉積）來實(shí)現(xiàn)電介質(zhì)的沉積。與使用晶體二維絕緣體(如六方氮化硼)的最佳實(shí)驗(yàn)室演示相比,，由此產(chǎn)生的非理想界面限制了器件的性能,。

　　二維材料的電觸點(diǎn)也是如此，它只能部分滿足工業(yè)規(guī)范,，還沒有達(dá)到制造標(biāo)準(zhǔn),。對二維材料來說，拔除或蝕刻對底層具有高選擇性的材料尤其具有挑戰(zhàn)性,，因?yàn)樗枰蛹壘?，而這只能通過特定的化學(xué)反應(yīng)和專用的原子層蝕刻設(shè)備來實(shí)現(xiàn)。開發(fā)合適工藝生產(chǎn)的過程是冗長乏味的,，因?yàn)闈撛诘亩S材料及其組合的范圍很廣?？偟膩碚f,，蝕刻化學(xué)和其他物理過程參數(shù)強(qiáng)烈依賴于具體的情況，每個都需要單獨(dú)的解決方案,。摻雜（ Doping）,，即在晶格中替換原子，是硅所需的一項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)且關(guān)鍵的技術(shù),，它依賴于統(tǒng)計(jì)分布,。在二維材料領(lǐng)域，“摻雜”一詞通常用來描述從缺陷或其附近的分子吸附物到2D二維材料層的電荷轉(zhuǎn)移,。

　　精確和長期穩(wěn)定地控制這種“有效摻雜”仍然是一個挑戰(zhàn),，但是傳統(tǒng)摻雜也是挑戰(zhàn)，如硅技術(shù)所示,，理想情況下,，需要以確定方式替換二維晶體原子。解決這些關(guān)鍵的制造瓶頸是歐洲二維材料試驗(yàn)試點(diǎn)線的明確目標(biāo),。二維材料與硅CMOS技術(shù)的共同集成將大幅提升芯片功能,，并使二維材料應(yīng)用按照其設(shè)備復(fù)雜性的順序出現(xiàn)。

　　如圖所示，在過去多年的發(fā)展中,，包括銅互連,、高k金屬柵極介質(zhì)和FinFETs等在內(nèi)的材料以及架構(gòu)創(chuàng)新都被采用，以繼續(xù)推動摩爾定律(黃線指的是“不太滿意的縮放”)前進(jìn),。但未來或者說“More Moore”“延續(xù)摩爾定律”的縮放,，可能需要更薄的納米片晶體管，而二維材料被認(rèn)為是理想的候選材料(紅色指的是,，插入a和透射電子顯微圖),。通過“CMOS + X”集成，例如通過“More Than Moore”“超越摩爾”領(lǐng)域的傳感器或集成在CMOS芯片上的高頻電子器件,，有望獲得實(shí)質(zhì)性的性能和功能增益,。借助二維材料的光電性能，光子集成電路可以提高整體系統(tǒng)性能和數(shù)據(jù)處理能力,，并開啟光譜傳感應(yīng)用,。內(nèi)存計(jì)算或憶阻器讓未來的神經(jīng)形態(tài)計(jì)算應(yīng)用成為可能，并且二維材料可能非常適合與硅CMOS集成,。即使在實(shí)驗(yàn)室,，2D量子技術(shù)也是最不成熟的，但隨著二維材料進(jìn)入半導(dǎo)體加工線,，2D量子技術(shù)將受益于所有預(yù)期的成就,。

　　此外，二維材料也有望成為CMOS的X因素,。在異構(gòu)集成縮放時代,，新的材料在三維芯片堆疊中提供前所未有的性能。需要注意的是,，在經(jīng)典的“摩爾定律”時期,，Y軸的單位為“l(fā)og2（#晶體管/$）”，但在異構(gòu)集成擴(kuò)展時代,，這個必須被取代,，我們建議將其標(biāo)記為“Performance （A.U.）”，因?yàn)樾阅艿奶岣邔⑨槍τ谔囟☉?yīng)用,。它將由功耗和效率,、模式識別能力、傳感器融合等(組合)因素決定,，由于功能和底層技術(shù)的多樣性,，這將會導(dǎo)致一些任意單元的產(chǎn)生。

　　More Moore

　　一般來說,，可以通過增加集成架構(gòu)的復(fù)雜性以及STCO整體設(shè)計(jì)與系統(tǒng)架構(gòu)的協(xié)同優(yōu)化來實(shí)現(xiàn)先進(jìn)的半導(dǎo)體技術(shù)節(jié)點(diǎn),。在晶體管層面，領(lǐng)先的半導(dǎo)體制造商正在從FinFET轉(zhuǎn)向堆疊納米片CFET架構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)最先進(jìn)的CMOS技術(shù)節(jié)點(diǎn),。目前,，這些納米片器件仍基于硅溝道，而這種納米片的各種結(jié)構(gòu)也被用來評估未來技術(shù)節(jié)點(diǎn),，例如所謂的“fork sheet”設(shè)計(jì),，它允許更緊密的n- p間距，或?qū)和n型納米片相互集成在一起,，但進(jìn)一步縮放溝道長度需要縮小溝道厚度相似的因素,，以保證充分的靜電控制，以抑制短溝道效應(yīng),。將硅片厚度減小到所需的值會增加界面上的電荷散射（ charge scattering）,，并導(dǎo)致溝道中載流子遷移率急劇下降，從而破壞了器件的性能,。而二維半導(dǎo)體將是納米片的最終版本,，因?yàn)樗鼈冊诘谌S是自鈍化（self-passivated ）的，而且載流子遷移率不會受到表面散射的強(qiáng)烈影響,。因此,，即使在厚度限制下，遷移率仍然很高,。

　　原則上,，這種特性可以實(shí)現(xiàn)多個技術(shù)節(jié)點(diǎn)的實(shí)際擴(kuò)展，并激勵半導(dǎo)體行業(yè)最終考慮用二維材料取代硅作為未來先進(jìn)節(jié)點(diǎn)的晶體管溝道材料,。但這個問題又將我們重新帶回到與2D集成相關(guān)的基本技術(shù)和科學(xué)挑戰(zhàn),。值得注意的是，確定一個合適的柵極氧化物堆棧和尋找低接觸電阻方案（contact schemes）特別重要,。前者是必要的，以保持二維材料的特性,，并提供充分的靜電控制,，同時減小柵極漏電流。二維六方氮化硼(hBN) 已被廣泛應(yīng)用于展示基于2D材料的高性能器件,，但其帶隙和帶階決定了只有一個或兩個單分子層才能實(shí)現(xiàn)足夠的靜電控制,。這種額外的邊界條件導(dǎo)致了不可容忍的器件漏電，因此必須找到其他的解決辦法,。為了保持集成電路中溝道材料的優(yōu)點(diǎn),，需要低接觸電阻，因?yàn)楦呓佑|電阻會主導(dǎo)并嚴(yán)重限制集成器件的性能,。

　　最近,，通過使用半金屬鉍，MoS2中的金屬誘導(dǎo)隙態(tài)（metal induced gap states ）和簡并態(tài)的自發(fā)形成（spontaneous formation of degenerate states）被報(bào)道，能大大降低MoS2的接觸電阻,。然而,，要揭示和充分利用CMOS電路中單層晶體管的潛力，重振晶體管的微縮速度和延續(xù)摩爾定律,，還需要更多這樣的突破,。

　　More than Moore 超越摩爾

　　這類應(yīng)用可能首先進(jìn)入市場，因?yàn)樗鼈兪嵌喾矫娴?，但通常非常具體,，所以可以容忍缺陷和較大的器件性能變異量device variation。

　　二維材料由于其固有的高表面/體積比和多功能化特性,，非常適合于氣體,、化學(xué)和生物傳感器件。因此,，在某些二維層狀材料附近的任何帶電粒子或分子都可以改變其導(dǎo)電性,。然而，理想中的二維材料是化學(xué)惰性的,，這意味著化學(xué)活性的缺乏將極大得增強(qiáng)基于二維材料的傳感器的反應(yīng)活性,。因此，精確的缺陷控制對于確保器件靈敏度是必不可少的,。此外,，傳感器的選擇性也是至關(guān)重要的。它可以通過表面功能化或者由不同傳感器組成陣列模擬復(fù)雜的生物系統(tǒng)例如鼻子,，來實(shí)現(xiàn),，具有不同傳感器“指紋”的二維材料組合可以與機(jī)器學(xué)習(xí)算法一起用于傳感器讀取。

　　MEMS通常依賴于芯片上的機(jī)械可移動部件,。二維材料具有優(yōu)異的機(jī)械性能,，可以產(chǎn)生超薄薄膜，直接轉(zhuǎn)化為壓阻式和光機(jī)械讀出方式,，以極高的靈敏度,，為MEMS提供了高效的信號傳輸?；诙S薄膜的MEMS應(yīng)用包括壓力傳感器,、加速度計(jì)、振蕩器,、共振質(zhì)量傳感器,、氣體傳感器、霍爾效應(yīng)傳感器和熱輻射計(jì),。

　　與現(xiàn)有的光電子和光子技術(shù)相比,，二維材料具有一系列優(yōu)勢,，特別是在硅材料可以處理的光譜范圍之外。但即便如此,，在光發(fā)射方面,，許多二維材料的直接帶隙比硅更有優(yōu)勢。半金屬和小帶隙材料,，如石墨烯,、二硒化鉑或黑磷，開啟了紅外(IR)體系,，與昂貴的III-V半導(dǎo)體技術(shù)競爭,。雖然二維特性在垂直方向上轉(zhuǎn)化為較低的絕對吸收，但與紅外敏感吸收層的結(jié)合帶來了更高的探測器響應(yīng)能力,。

　　光子集成電路

　　光子集成電路被認(rèn)為是在計(jì)算機(jī)芯片上或在計(jì)算機(jī)芯片之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕K極性能推進(jìn)器,，將它們通過光電轉(zhuǎn)換器以極高的數(shù)據(jù)傳輸速率連接到硅基器件是一項(xiàng)關(guān)鍵的應(yīng)用技術(shù)。二維材料,，特別是石墨烯,，可以轉(zhuǎn)移到光子波導(dǎo)上，并提供寬帶光檢測和信號調(diào)制,。通過消除對外延的需要,，基于二維的光子集成允許將有源器件組件與硅光器件集成，但也可以與無源非晶體波導(dǎo)材料集成,，如氮化硅集成,，這為復(fù)雜光子學(xué)應(yīng)用在CMOS上打開了大門。事實(shí)上,，一些二維材料,，如二硒化鉑，也可以在低于400°C的溫度下直接共形生長,，這在尋求與硅CMOS技術(shù)結(jié)合的光子集成電路方面是一個明顯的優(yōu)勢,。有了集成2D光源的潛力，二維材料可以最終實(shí)現(xiàn)電子學(xué)和光子學(xué)的融合,，并在太赫茲間隙的光譜上架起橋梁,。

　　神經(jīng)形態(tài)計(jì)算

　　神經(jīng)形態(tài)計(jì)算旨在為人工智能應(yīng)用提供啟發(fā)大腦的計(jì)算設(shè)備和架構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)節(jié)能硬件,。在器件層面，對神經(jīng)形態(tài)計(jì)算的要求包括將內(nèi)存與邏輯合并,，來實(shí)現(xiàn)模擬突觸和神經(jīng)元的內(nèi)存計(jì)算和記憶設(shè)備特性,。前者已經(jīng)可以用傳統(tǒng)的存儲技術(shù)實(shí)現(xiàn)，而后者轉(zhuǎn)化為閾值開關(guān)和具有寬范圍可編程電阻狀態(tài)的非易失性憶阻器,。盡管這項(xiàng)技術(shù)相對較新,，但二維憶阻器已經(jīng)顯示出了很有前景的性能,，包括焦耳量級的開關(guān)能量、亞納秒級的開關(guān)時間,、數(shù)十種可編程狀態(tài),，以及晶圓級的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)原型，可以實(shí)現(xiàn)傳感器系統(tǒng)和邊緣計(jì)算的應(yīng)用,，例如通過傳感器數(shù)據(jù)的預(yù)處理或芯片上傳感器融合,。除了神經(jīng)形態(tài)計(jì)算外，二維記憶體已經(jīng)被證明可以提供廣泛的非計(jì)算功能,，包括安全系統(tǒng)的物理不可克隆功能,，以及通信系統(tǒng)的射頻切換功能。

　　從科學(xué)的角度來看,，二維器件中的電阻轉(zhuǎn)換現(xiàn)象產(chǎn)生原因在于離子輸運(yùn),、缺陷形成或相變效應(yīng)。盡管有這些基本方面,，二維憶阻開關(guān)仍然是一個受到越來越多討論和研究的話題,。在設(shè)備層面，一個根本性的挑戰(zhàn)就是提高電阻切換的次數(shù),，即所謂的耐久性,，這需要進(jìn)一步研究潛在機(jī)制的老化效應(yīng)。同樣,，為了實(shí)現(xiàn)能夠模仿大腦的超連接性和效率的大規(guī)模連接設(shè)備陣列,，提高材料的均勻性將是至關(guān)重要。令人振奮的是,，截至目前已有超12個二維材料展示了記憶效應(yīng),，在未來幾年這個數(shù)量可能還會持續(xù)增長。因此,，越來越需要算法來指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)研究和優(yōu)化記憶元件,，以獲得最大性能。

　　量子技術(shù)

　　二維材料和相關(guān)的van-der-Waals 范德華異質(zhì)結(jié)構(gòu)的各種性質(zhì)也使得它們成為自旋電子學(xué)和未來量子技術(shù)中高度可調(diào)的量子材料,。二維材料系統(tǒng)不僅能夠?qū)崿F(xiàn)量子物質(zhì)的人工狀態(tài),，還能實(shí)現(xiàn)固態(tài)量子計(jì)算的許多承諾，以此作為量子通信電路的關(guān)鍵部件或允許有趣的量子傳感方案,。事實(shí)上,，二維材料是一個很有前途的量子點(diǎn)固態(tài)平臺，比如人們很早就認(rèn)識的拓?fù)淞孔佑?jì)算元件,，以及單光子發(fā)射器的相干源,。

　　基于半導(dǎo)體量子點(diǎn)(DQs)的量子計(jì)算使用捕獲電子的單個自旋態(tài)。除其他方面外,，它依賴于在主體材料中起重要作用的長自旋相干時間,，這使得石墨烯成為一種非常有趣的自旋量子位材料,，因?yàn)樗哂腥踝孕壍礼詈?碳原子非常輕)和弱超精細(xì)耦合(碳12是無自旋核)。隨著柵極控制量子點(diǎn)(QDs)中單電子限制的研究進(jìn)展,，第一個自旋量子比特即將問世,。在二維材料中制造自旋量子位的可能性也將允許評估額外的谷自由度作為可能的量子位狀態(tài)；存在關(guān)于谷和自旋谷量子位的有趣建議,。

　　此外,，二維材料中的固定量子比特可以與單光子發(fā)射體(SPE)實(shí)現(xiàn)的光子量子位耦合，例如在附近的寬帶隙六方氮化硼或半導(dǎo)體過渡金屬二鹵族化合物(例如WSe2)中,。在這些二維材料中,，SPE近年來已經(jīng)被證明是打開分布式量子網(wǎng)絡(luò)的大門，其中光子量子位可以作為互連,，使遙遠(yuǎn)的靜止量子比特,，例如自旋量子位，進(jìn)行糾纏,。這種堅(jiān)固,、明亮、難以區(qū)分的單光子發(fā)射器對于創(chuàng)造光子(飛行)量子位來實(shí)現(xiàn)高效的量子通信至關(guān)重要,。

　　此外,，二維異質(zhì)結(jié)構(gòu)是用于拓?fù)淞孔佑?jì)算的有前途的材料，與標(biāo)準(zhǔn)量子計(jì)算相比,，量子態(tài)可能更好地（即,，拓?fù)涞兀┓乐篃o序。例如,，將量子反?；魻柦^緣體或石墨烯調(diào)制到傾斜的反鐵磁量子霍爾相與s波超導(dǎo)體相結(jié)合，是拓?fù)淞孔佑?jì)算中一個很有前途的應(yīng)用平臺,。簡而言之,，這些進(jìn)展使二維材料及其異質(zhì)結(jié)構(gòu)在許多方面成為未來量子技術(shù)應(yīng)用的一個令人興奮的平臺。

　　結(jié)論

　　與現(xiàn)有技術(shù)相比,，二維材料在設(shè)備級提供了卓越的性能優(yōu)勢,，還可以與硅CMOS技術(shù)輕松集成，這使得它們成為硅芯片(也被稱為“CMOS + X”)的主要擴(kuò)展功能的候選者,。我們相信,，在未來的集成產(chǎn)品中，二維材料將越來越成為一個x因素,，具體取決于目標(biāo)應(yīng)用的不同,，基于二維材料的異構(gòu)電子技術(shù)的瓶頸也將獲得突破，達(dá)到所需的大規(guī)模制造水平,。