二维半导体材料的研究前景？ 第1页

简单梳理，近1年间与Intel某实验室同伴共同调研的二维碳基材料方向。硅基/非硅基异质集成会是未来很长一段时间延续摩尔定律的路线。

业内众所周知的，未来的芯片设计和制造除了面临制程微缩导致的良率、功耗、成本、集成度的挑战，再者就是硅验证的突破，目前已知芯片都是通过silicon proof保证硅材料物理实现的正确性，但在非硅基材料下，design rules将会大改；随之而来的PDK和EDA工具的研发大改也会到来，以及更为宏大的Fab装备和辅材的产业链技改升级，这期间从研究到产业化的进程会是10年+起步的...…

流行的2D半导体材料是围绕碳基成果展开的，碳纳米管/石墨烯等碳基材料都是探索2D电子材料的基础介质，本身都是为了延续电子的摩尔定律，电子的受众基础更好（光子暂时并不适用于处理微观逻辑）。碳基二维材料可以比较长远的延续电子摩尔定律，比如很多Lab都证明过的数据：【倘若用碳纳米管做传导，其电子迁移率可达到硅晶体管的1000倍，且CNT管中的电子自由程极长，电子活动更自由就不容易摩擦发热，如此推导CNT晶体管的电子极限运动速度会是硅材晶体管的5~10倍，功耗只有硅材晶体管的1/10，制程工艺条件就会变得很宽松】，这些优越性就构成了2D材料进入纳米电子学的切入点。但仅仅是概念层面证明，想要量产化的取代硅基芯片还不可能，碳元素够活泼，介电常数低，制备技术和成本都是巨大障碍。

前段新闻【台湾大学+TSMC+MIT共同公布的利用半金属铋（Bi）作为二维材料的接触电极的成果】，应该是由不同二维材料原子层堆叠而成的VDW异质，这是一个新思路；提到的Bi元素，就是二维范德华<VDW>材料的参与成份/方案之一，这会是个disruptive方向；相比传统硅基，VDW异质结的构建不依赖于晶型和晶格常数的匹配，理论上只要简单的机械剥离+堆叠的办法，就能得到多种通过传统外延方法不能获得的结构，从中可以搭建/定义一些物理构型，比如典型的金属-绝缘体-半导体<MIS结>或是半导体-绝缘体-半导体<PN结>，甚至可以通过多加制备一层金属性CNT管而搭建出GAA环绕栅级构型的场效应管，即使做成比如2D-FET晶体管，也可以做到栅极长度缩放，从而相比Si基材就更有可能不受短沟道漏电流的效应影响，这些特点用于高微缩/高密度的逻辑器件上就更有实用意义。国内有团队在2D VDW基材产品化方面做得很好，推测初代产品化会在NOR Flash上大面积普及，而高密度的碳基逻辑运算电路实现会更加耗时，CNT晶体管虽说预测单个器件性能比硅基优10倍，但当这些器件大密度连接起来之后并不确定是否有这么显著的性能提升；以及仅在金属导线和栅极结构等材料工艺层面的技术就需要很多年定型，这还不算design rules/设计工具/生产装备和辅材的升级。如今，制约二维材料的掣肘自然是材料生长，无法大面积、低成本制备出高性能的2D材料，致使这项实验室技术难以指导量产方案和装备定型。

随着当下碳基2D半导体的接触电极方案的解决，将推动高性能低功耗存储器甚至逻辑处理器的发展，在未来1nm甚至更微缩的工艺中，把控性能与功耗、密度与成本的平衡是关键，碳硅融合同样是disruptive的方向。MIT已经做了尝试：【Y19年，MIT研究人员与芯片制造商ADI合作，制造出全球首个全功能、可编程的16位RISC-V架构碳基处理器。该处理器能够完整地执行整套指令集。它执行了“Hello, World！I am RV16XNano，made from CNTs. 程序。】－－ 虽然是实验室产物，但它却是一个规模很大的、各器件均一性加以提升的由14000+个CNT晶体管组成的工程化系统。

此外从国产替代角度看，发展二维碳基集成电路也是必要的，国内几大Lab也在加快研究任务，起因是过去30年我国饱受高端装备的进口限制，比如晶圆制备和光刻过程涉及的难以绕过的进口装备；而作为技术拐点之一的2D碳基材料，它的晶体管是使用碳纳米管，制备方法和装备没有来自硅基的传承，比如前面提到带有VDW异质结的CNT晶体管，它的IP还不健全，材料制备的量产方案还不存在，而碳基集成电路的制造更不会用到光刻机，不需要依赖传统的硅基芯片的制造装备，不需要硅基晶圆生产的抛光-光刻-蚀刻-离子注入等工艺过程；这会成为我国半导体行业弯道超车、摆脱封锁的机会。就像Intel和TSMC反复讲过的一样【后摩尔定律时代的颠覆性技术会从材料、器件、架构方面分别革新，这种在整个产业链级的研发-量产重启，会为我国IC产业带来更多的发展机会，二维原子晶体毫无疑问是后摩尔定律时代电子器件的流行载体】。

至于研究前景：综上，在架构革新上，如今Logic IC的密度、功耗和集成度需求都发生很大变化，更多的应用场景这意味着更多发展机会，比如存算一体/感算一体等；而不再是沿着先进制程节点追赶，一些应用科研项目也不再需要全球乱抄作业，电子电路的基础前进方向划定，实验数据接连证实，接下来就会看到厂商大力参与配合落实工程方案。

最后，二维材料的一大挑战，是如何实现二维材料的大规模生产或是高质量二维薄膜的晶圆级生长以用于实际应用。

REF - 1：附一篇最近1年发布的范德华异质结纳米管论文简介 ：Small Science-- 一维范德华异质结纳米管 、2D半导体可替代硅，延续摩尔定律，英特尔、台积电等解决硅基设备材料限制

REF - 2：附一篇通过2维材料实现2D-FET构型的晶体管栅极长度缩放从而避免了短沟道漏电流效应的介绍： 晶体管的未来，靠二维材料了？