半導體材料是電子信息產(chǎn)業(yè)的基石。目前，隨著晶體管特征尺寸的縮小，由于短溝道效應等物理規(guī)律和制造成本的限制，主流硅基材料與CMOS（互補金屬氧化物半導體）技術(shù)正發(fā)展到10納米工藝節(jié)點而很難提升，摩爾定律可能終結(jié)。
因此，開發(fā)新型高性能半導體溝道材料和新原理晶體管技術(shù)，是科學界和產(chǎn)業(yè)界近20年來的主流研究方向之一。在眾多CMOS溝道材料體系中，相比于一維納米線和碳納米管，高遷移率二維半導體的器件加工與傳統(tǒng)微電子工藝兼容更好，同時其超薄平面結(jié)構(gòu)可有效抑制短溝道效應，被認為是構(gòu)筑后硅時代納電子器件和數(shù)字集成電路的理想溝道材料。
然而，現(xiàn)有二維材料體系（石墨烯、拓撲絕緣體、過渡金屬硫族化合物、黑磷等）無法同時滿足超高遷移率、合適帶隙、環(huán)境穩(wěn)定和可批量制備的現(xiàn)實要求，開發(fā)符合要求的高性能二維半導體新材料體系迫在眉睫。
新型穩(wěn)定的超高遷移率二維半導體材料BOX及晶體管示意圖
近日，北京大學化學與分子工程學院彭海琳教授課題組與合作者首次發(fā)現(xiàn)一類同時具有超高電子遷移率、合適帶隙、環(huán)境穩(wěn)定和可批量制備特點的全新二維半導體（硒氧化鉍，Bi2O2Se），在場效應晶體管器件和量子輸運方面展現(xiàn)出優(yōu)異性能。
彭海琳課題組基于前期對拓撲絕緣體（Bi2Se3，Bi2Te3）等二維量子材料的系統(tǒng)研究，提出用輕元素部分取代拓撲絕緣體中的重元素，以降低重元素的自旋－軌道耦合等相對論效應，進而調(diào)控其能帶結(jié)構(gòu)，消除金屬性拓撲表面態(tài)，獲得高遷移率二維半導體。
經(jīng)過材料的理論設(shè)計和數(shù)年的實驗探索，該課題組發(fā)現(xiàn)了一類全新的超高遷移率半導體型層狀氧化物材料Bi2O2Se，并利用化學氣相沉積（CVD）法制備了高穩(wěn)定性的二維Bi2O2Se晶體。基于理論計算和電學輸運實驗測量，證明Bi2O2Se材料具有合適帶隙（～0．8eV）、極小的電子有效質(zhì)量（～0．14m0）和超高的電子遷移率。
系統(tǒng)的輸運測量表明：CVD制備的Bi2O2Se二維晶體在未封裝時的低溫霍爾遷移率可高于20000cm2／V·s，展示了顯著的SdH量子振蕩行為；標準的Bi2O2Se頂柵場效應晶體管展現(xiàn)了很高的室溫表觀場效應遷移率（～2000cm2／V·s）和霍爾遷移率（～450 cm2／V·s）、很大的電流開關(guān)比（＞106）以及理想的器件亞閾值擺幅（～65mV／dec）。
二維Bi2O2Se這些優(yōu)異性能和綜合指標已經(jīng)超過了已有的一維和二維材料體系。Bi2O2Se這種高遷移率半導體特性還可能拓展到其他鉍氧硫族材料（BOX：Bi2O2S、Bi2O2Se、Bi2O2Te）。結(jié)合其出色的環(huán)境穩(wěn)定性和易于規(guī)模制備的特點，超高遷移率二維半導體BOX材料體系在構(gòu)筑超高速和低功耗電子器件方面具有獨特優(yōu)勢，有望解決摩爾定律進一步向前發(fā)展的瓶頸問題，給微納電子器件帶來新的技術(shù)變革，具有重要的基礎(chǔ)科學意義和實際應用價值。
首先，因為可以使用相同的軟件開發(fā)視覺系統(tǒng)和運動系統(tǒng)，設(shè)計者不需要熟悉多種編程語言或環(huán)境，因此降低了開發(fā)復雜性。第二，消除了以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)上的潛在性能瓶頸，因為現(xiàn)在數(shù)據(jù)僅在單個應用中的環(huán)路之間傳遞，而不是在物理層之間傳遞。
這使得整個系統(tǒng)的運行具有確定性，因為一切共享相同的過程。當將視覺直接引入控制回路中時，例如在視覺伺服應用中，這是特別有價值的。這里，視覺系統(tǒng)在運動期間連續(xù)捕獲致動器和目標零件的圖像，直到運動完成。這些捕獲的圖像用于提供關(guān)于運動成功的反饋。有了這一反饋，設(shè)計人員可以提高現(xiàn)有自動化的精度和精密度，而無需升級到高性能運動硬件。
現(xiàn)在提出了一個問題：這個系統(tǒng)是什么樣子？如果設(shè)計人員將要使用能滿足機器視覺系統(tǒng)所需的計算和控制需求的系統(tǒng)，并要與其他系統(tǒng)（如運動控制、HMI和I／O）無縫連接，那么他們需要使用具備所需性能的硬件架構(gòu)，以及每個這些系統(tǒng)所需的智能和控制能力。
這種系統(tǒng)的一個很好的選擇是：使用將處理器和FPGA與I／O相結(jié)合的異構(gòu)處理架構(gòu)。已經(jīng)有很多行業(yè)投資這種架構(gòu)，包括美國Xilinx公司的Zynq全可編程SoC（將ARM處理器與Xilinx 7系列FPGA架構(gòu)相結(jié)合），以及英特爾數(shù)十億美元收購Altera等。
對于視覺系統(tǒng)，使用FPGA特別有益，這主要是因為其固有的并行性。算法可以分開，運行數(shù)千種不同的方式，并且可以保持完全獨立。另外，這種架構(gòu)的好處不僅僅體現(xiàn)在視覺方面，其對運動控制系統(tǒng)和I／O也大有裨益。處理器和FPGA可用于執(zhí)行高級處理、計算和制定決策。設(shè)計人員幾乎可以通過模擬和數(shù)字I／O、工業(yè)協(xié)議、定制協(xié)議、傳感器、致動器和繼電器等，連接到任何總線上的任何傳感器。此架構(gòu)還滿足了其他要求，如時序和同步以及業(yè)務挑戰(zhàn)（如提高生產(chǎn)率）。每個人都希望更快地開發(fā)產(chǎn)品，這種架構(gòu)消除了對大型專業(yè)設(shè)計團隊的需要。
不幸的是，雖然這種架構(gòu)提供了很多性能和可擴展性，但是實現(xiàn)它的傳統(tǒng)方法需要專業(yè)知識，特別是在使用FPGA時。這為設(shè)計者帶來了巨大風險，并有可能導致使用該架構(gòu)不切實際甚至不可能。然而，使用集成軟件（如NI LabVIEW），設(shè)計人員可以通過提取低級復雜性，并將所需的所有技術(shù)集成到單一開發(fā)環(huán)境中，來提高生產(chǎn)率，降低風險。
理論是一回事，將其付諸實踐是另一回事。Master Machinery是臺灣一家生產(chǎn)半導體加工設(shè)備的公司（見圖4）。這種特定的設(shè)備使用機器視覺、運動控制和工業(yè)I／O的組合，將芯片從硅晶片上取下并封裝。這是能使用圖1中的分布式架構(gòu)的機器示例，每個子系統(tǒng)可以單獨開發(fā)，然后通過網(wǎng)絡(luò)集成在一起。
圖4：使用中央集權(quán)的、以軟件為中心的方法，Master Machinery公司將其主機控制器、機器視覺和運動系統(tǒng)、I／O和HMI全部集成到單個控制器中，性能是競爭對手的10倍。
行業(yè)內(nèi)這種機器每小時的產(chǎn)量大約為2000個零件。但是Master Machinery公司采取了不同的方法。他們設(shè)計了中央集權(quán)的、以軟件為中心的架構(gòu)，并將主機控制器、機器視覺和運動系統(tǒng)、I／O和HMI全部集成到單獨的控制器中，所有都采用LabVIEW編程。除了不需要單個子系統(tǒng)實現(xiàn)成本節(jié)約之外，這種方法還具備性能優(yōu)勢，其每小時大約能生產(chǎn)20000個零件，是競爭產(chǎn)品的10倍。
Master Machinery公司成功的關(guān)鍵因素之一是能夠?qū)⒍鄠€子系統(tǒng)組合在單個軟件堆棧中，特別是機器視覺和運動控制系統(tǒng)。使用這種統(tǒng)一的方法，Master Machinery公司不但簡化了設(shè)計機器視覺系統(tǒng)的方式，而且還簡化了如何設(shè)計整個系統(tǒng)。
機器視覺是一項復雜的任務，需要大量的處理能力。隨著摩爾定律繼續(xù)增加處理元件（如CPU、GPU和FPGA）的性能，設(shè)計人員可以使用這些組件來開發(fā)高度復雜的算法。設(shè)計人員還可以使用此技術(shù)來提高設(shè)計中其他組件的設(shè)計性能，特別是在運動控制和I／O領(lǐng)域。
隨著所有這些子系統(tǒng)性能的提高，用于開發(fā)這些機器的傳統(tǒng)分布式架構(gòu)將面臨壓力。將這些任務整合到單個控制器中，運行在單個軟件環(huán)境下，消除了設(shè)計過程中的瓶頸，使設(shè)計人員可以專注于創(chuàng)新，而不必擔心實施問題。