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)識到，由于石墨烯不具備適當(dāng)?shù)膱鲂?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，這些工藝會改變硅本身，例如注入摻雜劑以定義晶體管的各個部分；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，因為所涉及的熱量會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。因為石墨烯缺乏帶隙，而帶隙正是使材料成為半導(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，因為它們可以消除當(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。在柵極上相對于源極施加電壓會在溝道區(qū)域中形成一層移動電荷載流子，從而在源極和漏極之間形成導(dǎo)電橋，使電流流動。
但是，隨著通道越來越小，即使柵極上沒有電壓，電流也會越來越多地流經(jīng)通道，這會浪費功率。從20世紀(jì)的平面設(shè)計向當(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，則其厚度將與單個原子一樣薄。由于電流流動的這種受限路徑，當(dāng)設(shè)備即將關(guān)閉時，電荷載流子幾乎沒有機(jī)會溜走。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)體的一個特殊優(yōu)勢是可能構(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)，因為理想情況下，它們僅在從一種狀態(tài)切換到另一種狀態(tài)時才消耗功率。
2D材料的最新研究進(jìn)展
在后硅電子時代，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國際電子器件會議（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。”
有趣的是，該設(shè)備利用了石墨烯缺乏帶隙的優(yōu)勢。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。對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：“使用這種獨特的機(jī)制，我們能夠突破切換的基本極限。”該小組的1納米厚晶體管僅需29mV即可實現(xiàn)器件電流10倍的變化。“我們使用較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。”
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作為他們的概念驗證設(shè)備，因為這是研究人員長期了解和研究的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。”
另據(jù)digitimes報道，今年三月臺積電和交大攜手在《Nature》發(fā)表的在Cu（111）上長的單晶hBN（hexagonal BoronNitride；六角形氮化硼）。它的長晶難處在于由于hBN有兩種相，而其能量差極為微小，只有0.05eV，近乎簡并態(tài)（degenerate state）。相對于在長晶退火時的能量尺度0.1eV這區(qū)別太小，因此退火后晶體會呈現(xiàn)不同相的領(lǐng)域（domain）。解決的方法是先在藍(lán)寶石上長純粹的Cu（111）晶體，由于Cu在邊界有垂直的邊緣，這個邊緣有偏好的方向性，可以打破簡并態(tài)的對稱性，因此利用此邊界可以在Cu （111）上長成單晶的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邊緣懸空鍵對于在MoS2中流動電子的誘捕和散射。
此外，臺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)一直是一個大問題。
臺積電的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項目總監(jiān)Iuliana Radu和她的團(tuán)隊開發(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)在報告說，他們可以在晶片規(guī)模上制造WS2晶體管。“這項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的納米級電子和結(jié)構(gòu)實驗室（LANES）使用2D MoS2層在一個稱為浮柵場效應(yīng)晶體管（FGFET）的設(shè)備中結(jié)合了存儲和邏輯。MoS2的電氣特性使其對FGFET中存儲的電荷特別敏感，這使LANES工程師能夠開發(fā)既可以用作存儲器存儲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)避免了因移動數(shù)據(jù)而造成的功率損耗。雖然以前已經(jīng)制造了單個設(shè)備的原型，但該團(tuán)隊已經(jīng)開發(fā)了一個批處理過程，一次可生產(chǎn)80個設(shè)備。該團(tuán)隊說，這些設(shè)備的通道長度為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材料的研究是一個新的領(lǐng)域，從第一個石墨烯、二硫化鉬和磷烯MOSFET分別于2007年、2011年和2014年被報道的事實可以看出。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。但是說實話，評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。對研究人員來說，2D材料是激動人心的科學(xué)的一個新的廣泛領(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。