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近日，在《芯片，最新路線圖》一文中，筆者分享了IMEC對未來14年半導(dǎo)體路線圖的預(yù)測。
能看到，隨著先進(jìn)制程節(jié)點的演進(jìn)和晶體管架構(gòu)的革新，二維半導(dǎo)體材料或?qū)⒊蔀槲磥順I(yè)界關(guān)注的焦點。
實際上，當(dāng)前摩爾定律日益放緩，隨著制程節(jié)點向物理極限不斷逼近，硅基三維晶體管的制造結(jié)構(gòu)日趨復(fù)雜，所需投入的成本呈現(xiàn)指數(shù)級攀升，而技術(shù)演進(jìn)帶來的邊際效益卻顯著遞減。
同時，為了保持摩爾定律的進(jìn)展，創(chuàng)新的重點已從尺寸縮放轉(zhuǎn)向功能性縮放。在從FinFET到Nanosheet，乃至未來CFET等晶體管架構(gòu)的艱難跋涉中，業(yè)界深刻意識到：僅依賴硅基材料的三維堆疊技術(shù)，已難以支撐可持續(xù)的微縮與能效提升。尋求根本性的材料革新，成為突破瓶頸、開辟新增長曲線的關(guān)鍵所在。
在這一背景下，從傳統(tǒng)硅基三維材料向二維半導(dǎo)體材料的戰(zhàn)略過渡，迅速躍升為全球半導(dǎo)體研發(fā)與產(chǎn)業(yè)布局的核心焦點，吸引了全球科研人員與產(chǎn)業(yè)界的目光。
二維半導(dǎo)體，來勢洶洶
眾所周知，隨著半導(dǎo)體制程向亞-納米級逼近，硅基器件遭遇厚度波動散射、量子隧穿效應(yīng)及短溝道效應(yīng)等物理極限，導(dǎo)致性能顯著退化，成為延續(xù)摩爾定律的主要障礙。三維堆疊技術(shù)雖能延續(xù)晶體管密度增長，但使用傳統(tǒng)溝道材料進(jìn)行3D集成將極具挑戰(zhàn)性，對EUV光刻的納米級對準(zhǔn)精度依賴加劇了成本壓力。
因此，二維材料作為溝道材料的引入為解決尺寸微縮挑戰(zhàn)提供了創(chuàng)新方案。
憑借原子級厚度（0.3-10nm）與范德華異質(zhì)結(jié)技術(shù)，二維材料可構(gòu)建垂直場效應(yīng)晶體管（VFET）實現(xiàn)10倍于 FinFET 的密度突破，在1nm柵長下仍保持10開關(guān)比。其獨特電學(xué)性能（如黑磷60000cmVs遷移率）與量子特性（魔角石墨烯超導(dǎo)態(tài)、二硒化鎢谷極化效應(yīng)等），是下一代集成電路芯片的理想溝道材料。
隨著AI、大數(shù)據(jù)時代的到來，一些新的計算架構(gòu)和機制已經(jīng)被引入下一代計算技術(shù)。得益于二維材料獨特的性質(zhì)，基于二維材料的存儲器件、神經(jīng)形態(tài)器件、量子器件、離子晶體管等被廣泛地研究和應(yīng)用，成為后摩爾時代突破物理極限的核心引擎。
最典型也是最早實驗證明的二維材料是石墨烯。2004年，K. S. Novoselov等人在Science雜志發(fā)表文章，報道了通過機械剝離的方法從高取向的裂解石墨中獲得了石墨烯，且證明了其獨特優(yōu)異的電學(xué)性質(zhì)。
作為首個被發(fā)現(xiàn)的二維材料，厚度僅0.335納米的石墨烯，被認(rèn)為是最具潛力的半導(dǎo)體替代材料，擁有極其優(yōu)異的物理性質(zhì)，如高強度、高導(dǎo)電性、高導(dǎo)熱性等，科學(xué)界期望利用它制備新一代的半導(dǎo)體器件，是下一代"碳基半導(dǎo)體"強有力的候選材料。
之前IBM一項研究表明，相比硅基芯片，石墨烯芯片在性能和功耗方面預(yù)期將有較大提升。比如，7納米制程的石墨烯芯片相比7納米制程的硅基芯片，速度提升高達(dá)300%——前提是能夠在石墨烯的能帶里打開一個"空隙"。
然而，石墨烯作為一個半金屬的材料，其零帶隙特性無法達(dá)到理想半導(dǎo)體電流關(guān)閉的狀態(tài)，難以被制成像晶體管一樣的電子開關(guān)元件，限制了其在邏輯器件中的應(yīng)用。因此，盡管K. S. Novoselov團隊制備出了石墨烯，但其仍然在2007年的一篇關(guān)于石墨烯的評論文章中流露出悲觀情緒。
石墨烯誕生后的很長一段時間里，也的確未能在半導(dǎo)體領(lǐng)域找到"用武之地"。盡管如此，但以石墨烯為代表的二維材料仍獲得了較大關(guān)注，新的二維材料如雨后春筍般涌現(xiàn)。
自 2004 年石墨烯分離成功以來，過渡金屬二硫族化合物（TMDCs，如MoS、WS）、六方氮化硼（h-BN）、黑磷及 MXene 等二維材料體系得到廣泛研究。尤其是2010年后，單層MoS晶體管的成功制備標(biāo)志著二維半導(dǎo)體進(jìn)入實用化階段。
2024年，中國天津大學(xué)和美國佐治亞理工學(xué)院科研人員組成的研究團隊，使用特殊熔爐在碳化硅晶圓上的生長方法，取得重大突破，生產(chǎn)出了外延半導(dǎo)體石墨烯單層。研究發(fā)現(xiàn)，如果制造得當(dāng)，外延石墨烯會與碳化硅發(fā)生化學(xué)鍵合，并表現(xiàn)出半導(dǎo)體特性，這成功攻克了長期以來阻礙石墨烯電子學(xué)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)難題，打開了石墨烯帶隙，實現(xiàn)了從"0"到"1"的突破。相關(guān)論文發(fā)表在《Nature》上。所以，石墨烯因此也有了"新生"。
正是基于諸多優(yōu)勢，從石墨烯被發(fā)現(xiàn)開始，二維材料已逐漸成為一個成員眾多、類別多樣的龐大家族。這些常見的二維半導(dǎo)體材料各自具有不同的能帶結(jié)構(gòu)和電子特性，覆蓋從超導(dǎo)體、金屬、半金屬、半導(dǎo)體到絕緣體等材料類型，同時也具有優(yōu)異的光學(xué)、力學(xué)、熱學(xué)、磁學(xué)等性質(zhì)。
石墨烯：零帶隙狄拉克費米子體系。石墨烯的電子結(jié)構(gòu)呈線性色散，在K點形成狄拉克錐，載流子遷移率極高，室溫下可達(dá)10-10 cm/V·s。其準(zhǔn)粒子行為近似無質(zhì)量，自旋散度長，適用于高頻電子學(xué)與自旋輸運研究。然而，零帶隙限制了其在數(shù)字開關(guān)器件中的應(yīng)用，需通過帶隙工程手段實現(xiàn)能帶調(diào)控。
TMDs：直接帶隙與谷自旋耦合。典型TMDs（如MoS、WS）在單層狀態(tài)下呈直接帶隙半導(dǎo)體性質(zhì)，能隙約為1.8eV，并伴隨強自旋-軌道耦合與空間反演對稱性破缺，導(dǎo)致自旋與谷自由度耦合。這種物理機制使TMD成為谷電子學(xué)與光自旋操控的理想平臺。盡管其遷移率較低，但穩(wěn)定的帶隙和優(yōu)異的光電響應(yīng)使其在晶體管與光電探測中具備實際應(yīng)用價值。
黑磷：各向異性與可調(diào)帶隙。黑磷為少有的本征直接帶隙材料，其能帶結(jié)構(gòu)對層數(shù)敏感，從單層的2eV連續(xù)調(diào)諧至塊體的約0.3eV。同時，黑磷晶格結(jié)構(gòu)導(dǎo)致強烈的電子各向異性，使其在方向相關(guān)器件中具有獨特應(yīng)用前景。盡管遷移率可達(dá)千級cm/V·s，但其化學(xué)不穩(wěn)定性是制約其發(fā)展的一大障礙。
MXene：二維金屬與界面工程平臺。MXene是一類層狀過渡金屬碳化物/氮化物，天然金屬性、高電導(dǎo)率和表面官能團賦予其在接觸工程、電化學(xué)與可調(diào)能帶設(shè)計中的廣泛潛力。研究表明，通過調(diào)控表面終端基團與界面應(yīng)力，可誘導(dǎo)其從金屬轉(zhuǎn)變?yōu)榘雽?dǎo)體態(tài)，成為二維材料中可工程化程度最高的體系之一。
得益于其原子層厚度方向上的量子局限效應(yīng)，這些二維材料展示出與其對應(yīng)的三維結(jié)構(gòu)截然不同的性質(zhì)。從硅基三維材料向二維半導(dǎo)體材料過渡，不僅是材料的革新，更是半導(dǎo)體技術(shù)的一次飛躍，有望打破摩爾定律放緩的僵局，推動半導(dǎo)體行業(yè)進(jìn)入全新的發(fā)展階段。
清華大學(xué)任天令教授、田禾副教授，復(fù)旦大學(xué)劉子玉教授，中北大學(xué)郭浩教授，中科院微電子所彭松昂副研究員和北京交通大學(xué)鄧濤教授等總結(jié)了二維半導(dǎo)體在工藝工程和各種芯片應(yīng)用領(lǐng)域的研究進(jìn)展。
(a) 硅基、碳納米管基和二維基集成電路的發(fā)展時間線
(b) 二維電路的實現(xiàn)路線和未來可能的應(yīng)用領(lǐng)域
臺積電、英特爾、三星和 IMEC等大型企業(yè)紛紛加速布局二維半導(dǎo)體賽道，在二維半導(dǎo)體材料研究和集成方面投入了大量資金，推動產(chǎn)業(yè)由實驗室邁向規(guī)?；?/p>
有數(shù)據(jù)顯示，2024年全球二維半導(dǎo)體材料市場規(guī)模達(dá)18億美元，其中石墨烯為最大細(xì)分市場，這主要得益于其優(yōu)越的導(dǎo)電性和機械強度，占比45%。過渡金屬二硫族化合物(TMDs)因其獨特的電子性質(zhì)和在各種應(yīng)用中的多功能性而成為第二大細(xì)分市場，占比30%。隨著制備技術(shù)成熟，預(yù)計2025-2030年市場規(guī)模將以24%-26.5%的復(fù)合增長率擴張，2030年有望突破45億美元，主要增長動力來自5G通信、AIoT及高性能計算領(lǐng)域的需求。
在此趨勢下，研究機構(gòu)和產(chǎn)業(yè)界對二維半導(dǎo)體材料和器件展開積極探索，推動二維半導(dǎo)體材料的研究和開發(fā)。
二維半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)進(jìn)展與突破
原集微：
首條二維半導(dǎo)體全國產(chǎn)化工程化示范線啟動
2025 年 6 月，復(fù)旦大學(xué)科研團隊孵化的原集微科技二維半導(dǎo)體工程化驗證示范工藝線在浦東川沙啟動，這是首條全國產(chǎn)二維半導(dǎo)體集成電路工程化示范線。原集微計劃三年內(nèi)建設(shè)商業(yè)化量產(chǎn)線，攻關(guān)前后道工藝、"非硅" 材料與硅基工藝兼容性、異質(zhì) / 異構(gòu)集成等核心技術(shù)，已與中科創(chuàng)星、北京賽微電子等企業(yè)合作探索異質(zhì)集成方案。
依托二維材料極低漏電流優(yōu)勢，原集微選定DRAM和邊緣計算為產(chǎn)業(yè)化切入點，正推進(jìn)原型芯粒集成開發(fā)，將在8吋工程示范線完成工藝優(yōu)化。今年4月，其聯(lián)合團隊在《自然》發(fā)布全球首款基于二維半導(dǎo)體的32位RISC-V架構(gòu)微處理器"無極（WUJI）"，集成5900個晶體管，反相器良率99.77%，刷新集成度紀(jì)錄且性能提升51倍。該處理器基于單層二硫化鉬（MoS），不依賴EUV光刻機，實現(xiàn)全鏈條自主研發(fā)，證明新材料應(yīng)用可行性。
西北有色院、西安稀有院：
POT技術(shù)合成Ti2CO2二維材料
生物傳感器依賴無機/有機復(fù)合結(jié)構(gòu)，親和層是連接核心，MXene材料因獨特理化性質(zhì)成潛力候選。其中，TiCO MXene因高穩(wěn)定性和半導(dǎo)體特性受關(guān)注，但常規(guī)制備易過度氧化生成TiO，難以精準(zhǔn)合成。
西北有色金屬研究院、西安稀有金屬材料研究院李陽、程飛團隊開發(fā)臭氧脈沖處理（POT）技術(shù)，成功合成穩(wěn)定的二維半導(dǎo)體TiCO MXene。該技術(shù)通過精確控制 "TiC→TiCO→TiO" 反應(yīng)的活化能窗口，利用高活性臭氧降低目標(biāo)反應(yīng)能壘，短時脈沖抑制過度氧化，突破傳統(tǒng)官能團調(diào)控瓶頸。TiCO MXene 的高吸附容量和穩(wěn)定性使其成為高精度生物傳感的優(yōu)異親和層，為MXene材料官能化與穩(wěn)定化提供新思路，拓展了二維半導(dǎo)體在生物傳感、健康監(jiān)測和智能診療領(lǐng)域的應(yīng)用。
南京航空航天大學(xué)/南洋理工大學(xué)：
二維半導(dǎo)體中共格限域的單金屬原子鏈
近日，南京航空航天大學(xué)郭萬林院士、張助華教授、喬瑞喜副研究員聯(lián)合南洋理工大學(xué)劉政教授團隊，在金屬單原子鏈原子制造領(lǐng)域取得突破。團隊基于二維硫族化合物晶界限域效應(yīng)，提出標(biāo)準(zhǔn)化篩選方案，預(yù)測并實驗證實了可在二維半導(dǎo)體晶界形成單金屬原子鏈（SMACs）的元素。相關(guān)成果發(fā)表于《自然·通訊》。
研究針對SMACs生長的熱力學(xué)與動力學(xué)過程，分析了過渡金屬原子與MX晶疇的替代摻雜、表面團簇化、邊界吸附構(gòu)型及其動力學(xué)生長勢壘等核心步驟，建立SSEK理論計算篩選標(biāo)準(zhǔn)。以MoS為例，從27種過渡金屬中鎖定Co、Ni、Pd、Pt、Rh，實驗證實前四種可在MoS鏡面孿晶界形成數(shù)十納米長的單原子鏈網(wǎng)絡(luò)。這些原子鏈通過共價鍵與兩側(cè)晶格連接，穩(wěn)定性高，理論預(yù)測具有一維金屬性及磁性。該工作不僅為二維材料限域體系中的一維結(jié)構(gòu)的原子制造開辟了新途徑，更為極限一維體系中量子行為研究與全新器件開發(fā)奠定了基礎(chǔ)。
蘇州納米所：
二維異質(zhì)結(jié)構(gòu)光調(diào)控重要進(jìn)展
二維過渡金屬硫?qū)倩铮═MDs）異質(zhì)結(jié)構(gòu)因優(yōu)異光電性能，在納米光電子學(xué)等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。TMDs異質(zhì)雙層可實現(xiàn)材料任意組合及層間耦合調(diào)控，產(chǎn)生層間激子等新型激子態(tài)，但傳統(tǒng)器件需與外部光學(xué)結(jié)構(gòu)集成，易引入非輻射復(fù)合中心、n型摻雜以及強介電屏蔽效應(yīng)等問題，嚴(yán)重抑制了激子的發(fā)光效率，尤其影響層間激子的穩(wěn)定性和輻射效率，因此帶來了極大的調(diào)控挑戰(zhàn)。
東南大學(xué)：
用于突觸晶體管的二維極性半導(dǎo)體中門控可調(diào)極化梯度
隨著人工智能對數(shù)據(jù)處理需求不斷增長，傳統(tǒng)馮·諾依曼計算架構(gòu)局限性日益凸顯，其內(nèi)存和處理單元的物理分離導(dǎo)致了延遲和能效問題。神經(jīng)形態(tài)計算作為一種新興的計算式，通過模仿人腦的并行處理方式，有望克服這些瓶頸。人工突觸設(shè)備是神經(jīng)形態(tài)計算的核心，其旨在模擬生物突觸的動態(tài)可塑性。然而，現(xiàn)有的突觸晶體管主要依賴于離子遷移、鐵電開關(guān)、浮柵耦合或電荷陷阱等機制，這些方法存在離子擴散、極化疲勞和電荷泄漏等問題，限制了設(shè)備的可靠性和記憶保持能力。
該機制使設(shè)備在室溫下實現(xiàn)約 331 秒的記憶保持時間，超越多數(shù)傳統(tǒng)突觸晶體管，且在150-300K溫度范圍內(nèi)保持106-104的高開關(guān)比，展現(xiàn)出優(yōu)異的操作穩(wěn)定性和循環(huán)耐久性。該研究突出極化工程在載流子傳輸控制中的關(guān)鍵作用，為神經(jīng)形態(tài)架構(gòu)設(shè)計提供新范式，推動新一代電子技術(shù)發(fā)展。
北京大學(xué)彭海琳教授團隊：
二維BiOSe半導(dǎo)體全維度剖析
二維 BiOSe 因優(yōu)異性能成為后硅時代高性能集成電路的關(guān)鍵候選材料，但其產(chǎn)業(yè)化面臨諸多挑戰(zhàn)。北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院彭海琳教授團隊?wèi)?yīng)邀在《Nature Reviews Electrical Engineering》發(fā)表綜述，論述二維BiOSe半導(dǎo)體的發(fā)展與展望。
BiOSe 具有非范德華層狀結(jié)構(gòu)，Bi-O共價鍵穩(wěn)定且層間作用弱，賦予其良好空氣穩(wěn)定性與工藝適應(yīng)性。其高電子遷移率、間接帶隙特性、強自旋軌道耦合效應(yīng)及鐵電性，使其在光電器件、自旋電子學(xué)器件和非易失性存儲器領(lǐng)域潛力巨大。制備方面，熱蒸發(fā)CVD、鹽輔助低溫CVD等方法各有優(yōu)劣，需通過調(diào)控成核位點等因素控制單晶形貌與質(zhì)量。產(chǎn)業(yè)化需突破晶圓級單晶制備的缺陷控制、工藝集成的界面控制與互連技術(shù)、晶體管尺寸縮小中的性能與可靠性平衡，以及電路級應(yīng)用的結(jié)構(gòu)優(yōu)化等瓶頸。
北科大：
二維半導(dǎo)體材料生長方法新突破
當(dāng)前，化學(xué)氣相沉積（CVD）已實現(xiàn)晶圓級 MoS單晶生長，但多核生長法存在晶界缺陷，影響器件均勻性；單個核生長受成核密度與生長速率限制，晶疇多為毫米級。液態(tài)前驅(qū)體結(jié)晶法也因潤濕面積小等問題，僅能生成亞毫米級晶疇，大規(guī)模生產(chǎn)高質(zhì)量二維過渡金屬二硫族化物（TMDCs）仍是工業(yè)制造的重大挑戰(zhàn)。
澳門科技大學(xué)/昆士蘭理工大學(xué)/莫納什大學(xué)：
通用拾放金屬電極轉(zhuǎn)移技術(shù)
2025年初，澳門科技大學(xué)邢凱健博士、歐清東助理教授聯(lián)合昆士蘭理工大學(xué)祁東晨副教授、莫納什大學(xué) Michael S. Fuhrer 院士團隊，在 ACS Nano 發(fā)表論文，提出通用拾放金屬電極轉(zhuǎn)移技術(shù)，解決傳統(tǒng)金屬集成到范德華（vdW）異質(zhì)結(jié)構(gòu)時的材料破壞與接觸電阻問題。
二維半導(dǎo)體材料異質(zhì)外延，重要進(jìn)展
2024年12月，上海應(yīng)用技術(shù)大學(xué)團隊攜手國科大杭州高等研究院、美國麻省理工學(xué)院（MIT）等國內(nèi)外單位，在二維半導(dǎo)體材料異質(zhì)外延方面取得進(jìn)展。異質(zhì)外延半導(dǎo)體材料是高性能光探測的核心，但受晶格匹配限制，單一襯底上的異質(zhì)外延易產(chǎn)生高晶格應(yīng)變，導(dǎo)致界面質(zhì)量下降與晶體缺陷，且設(shè)備與工藝復(fù)雜昂貴。
團隊依托"光探測材料與器件"上海高水平創(chuàng)新團隊等平臺，通過"面內(nèi)自適應(yīng)異質(zhì)外延"策略，在c面藍(lán)寶石襯底上實現(xiàn)二維半導(dǎo)體單晶材料的高取向外延生長。該方法通過晶體取向30°旋轉(zhuǎn)調(diào)控壓應(yīng)力與拉應(yīng)力，實現(xiàn)應(yīng)變可容忍性，使異質(zhì)外延單晶與襯底形成可控界面應(yīng)變?；谠摬牧系墓馓綔y器件性能優(yōu)于非外延器件，為高性能光探測技術(shù)突破提供支撐。
上海微系統(tǒng)所：
開發(fā)面向二維集成電路的單晶金屬氧化物柵介質(zhì)晶圓
2024年8月，中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所（上海微系統(tǒng)所）狄增峰研究員團隊在面向低功耗二維集成電路的單晶金屬氧化物柵介質(zhì)晶圓研制方面取得突破性進(jìn)展，相關(guān)成果以《面向頂柵結(jié)構(gòu)二維晶體管的單晶金屬氧化物柵介質(zhì)材料》為題，發(fā)表于國際學(xué)術(shù)期刊《自然》。
二維半導(dǎo)體溝道材料缺乏適配的高質(zhì)量柵介質(zhì)材料。傳統(tǒng)硅基非晶柵介質(zhì)材料表面懸掛鍵多，與二維半導(dǎo)體材料形成的界面存在大量電子陷阱，影響晶體管性能；單晶柵介質(zhì)材料雖能與二維半導(dǎo)體溝道材料形成完美界面，但生長所需的高溫及后退火處理，易損傷二維半導(dǎo)體材料或造成無意摻雜，形成不理想的柵介質(zhì) / 二維半導(dǎo)體界面，界面態(tài)密度高達(dá) 10 cm eV 左右，難以契合未來先進(jìn)低功耗芯片發(fā)展需求。
在此困境下，團隊開發(fā)單晶金屬插層氧化技術(shù)，室溫下制備出單晶氧化鋁（c-AlO）柵介質(zhì)晶圓。以鍺基石墨烯晶圓為襯底生長單晶Al（111），借助石墨烯與單晶金屬Al（111）間較弱的范德華作用力實現(xiàn)4英寸晶圓無損剝離，表面呈原子級平整；在極低氧氣氛圍中，氧原子可控插入Al（111）晶格，形成穩(wěn)定、化學(xué)計量比精準(zhǔn)的 c-AlO（0001）薄膜晶圓。通過自對準(zhǔn)工藝制備的低功耗 c-AlO/MoS晶體管陣列性能一致，擊穿場強 17.4 MV/cm、柵漏電流 10 A/cm、界面態(tài)密度 8.4×10 cm eV，均滿足國際器件與系統(tǒng)路線圖要求，為二維集成電路發(fā)展開辟新路徑。
賓夕法尼亞州立大學(xué)：
攻克CMOS 與 2D 材料集成挑戰(zhàn)
互補金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）與二維材料的集成是電子器件發(fā)展的難點。賓夕法尼亞州立大學(xué)研究人員開發(fā)了基于 CMOS 技術(shù)的二維單指令集計算機，利用大面積 n 型 MoS和 p 型 WSe場效應(yīng)晶體管的異質(zhì)集成，克服了這一挑戰(zhàn)。
團隊通過調(diào)整 n 型和 p 型二維 FET 的閾值電壓（優(yōu)化溝道長度、采用高 κ 柵極電介質(zhì)、改進(jìn)材料生長與后處理），實現(xiàn)高驅(qū)動電流與低亞閾值漏電。電路可在 3V 以下電壓運行，頻率達(dá) 25kHz，功耗低至皮瓦級，開關(guān)能量約 100pJ。這是首次完全由二維材料構(gòu)建的 CMOS 計算機，結(jié)合了金屬有機化學(xué)氣相沉積（MOCVD）生長的大面積 MoS和 WSe晶體管，為二維材料在集成電路中的應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。
加利福尼亞大學(xué)圣巴巴拉分校：
二維半導(dǎo)體材料應(yīng)用于三維晶體管新進(jìn)展
二硫化鎢（WS）等二維過渡金屬硫化物（TMDs）因獨特電學(xué)和結(jié)構(gòu)性質(zhì)，成為后硅基 CMOS 場效應(yīng)晶體管（FETs）的潛在溝道材料，在亞 10 納米溝道長度下表現(xiàn)優(yōu)異。但現(xiàn)有器件存在肖特基接觸、溝道厚度調(diào)控等問題，限制了尺寸縮減與性能提升。
碳納米管+單層MoS，
構(gòu)建極限尺寸的垂直晶體管
ACS研究通過結(jié)構(gòu)創(chuàng)新，首次將上下交叉碳納米管與單層TMD垂直集成，解決了柵控屏蔽與隧穿泄漏難題，為極限尺寸低功耗2D邏輯器件提供可行范式。
二維MoS柔性晶體管引領(lǐng)中規(guī)模IC革命
二維半導(dǎo)體兼具出色的電學(xué)性能和機械柔性，為柔性集成電路（ICs）的發(fā)展提供了極具吸引力的應(yīng)用前景。盡管已有顯著進(jìn)展，但目前展示的二維柔性IC通常僅限于實現(xiàn)基礎(chǔ)邏輯門和環(huán)形振蕩器，集成規(guī)模僅有少數(shù)薄膜晶體管（TFT），在電路規(guī)模和功能性上存在明顯差距。
該研究展示了基于二維半導(dǎo)體MoS2集成100多個TFT的中規(guī)模柔性集成電路，該電路集成了組合邏輯單元和時序功能單元。通過對制程工藝的協(xié)同優(yōu)化，成功實現(xiàn)了高產(chǎn)率、均一性良好的柔性MoS TFT，同時構(gòu)建了具有良好全跨軌操作性能的柔性NMOS反相器。
此外，該設(shè)計確保了具有足夠噪聲容限的穩(wěn)健軌到軌操作，這對于確保各種數(shù)字元件的穩(wěn)定運行至關(guān)重要，使其成為構(gòu)建中規(guī)模復(fù)雜電路的理想標(biāo)準(zhǔn)單元。為此，團隊展示了組合和時序邏輯電路，結(jié)合了半加器、鎖存器、觸發(fā)器和中規(guī)模時鐘分頻模塊等代表性元件，為數(shù)字 IC 和 IoE 系統(tǒng)提供了潛在的應(yīng)用。
中科院物理所：
基于二維半導(dǎo)體的中等規(guī)模柔性集成電路
二維半導(dǎo)體結(jié)合卓越電學(xué)性能與機械柔韌性，為柔性集成電路（ICs）提供發(fā)展機遇。但迄今為止展示的二維柔性集成電路仍局限于基本的邏輯門和環(huán)形振蕩器，其最大集成規(guī)模僅為少數(shù)薄膜晶體管（TFTs），在電路規(guī)模和功能方面存在顯著差距。
2025年1月，中科院物理所張廣宇、李娜&杜羅軍研究員等人聯(lián)合發(fā)表了題為Medium-scale flexible integrated circuits based on 2D semiconductors的文章,展示了基于二維二硫化鉬（MoS）的中等規(guī)模柔性集成電路，集成了組合邏輯和時序邏輯元件。通過對制造工藝的協(xié)同優(yōu)化，實現(xiàn)了具有高器件良率和一致性的柔性MoS薄膜晶體管，以及具有穩(wěn)定軌到軌（rail-to-rail）操作的柔性NMOS反相器。此外，在柔性基底上成功構(gòu)建了典型的集成電路模塊，如NAND、XOR、半加器和鎖存器。最后，基于邊沿觸發(fā)觸發(fā)器電路，展示了一個由112個MoS薄膜晶體管組成的中等規(guī)模柔性時鐘分頻模塊。該工作將二維柔性集成電路的規(guī)模提升至中等水平，為萬物互聯(lián)、健康監(jiān)測和植入式電子等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用展現(xiàn)了重要的發(fā)展前景。
通過協(xié)同優(yōu)化制造技術(shù)，成功實現(xiàn)了基于MoS薄膜晶體管（TFTs）的中等規(guī)模柔性集成電路。此外，AlO摻雜技術(shù)和零柵源電壓負(fù)載邏輯配置的實施，使得反相器能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定的軌到軌操作，為構(gòu)建可靠的中等規(guī)模電路奠定了堅實基礎(chǔ)。值得注意的是，具有正確邏輯功能的組合電路和時序電路均得到了驗證，并可進(jìn)一步集成到能夠執(zhí)行特定指令的功能電路模塊中。這項工作將二維柔性集成電路的規(guī)模提升至中等水平，標(biāo)志著在可穿戴電子、可折疊智能終端和萬物互聯(lián)（IoE）應(yīng)用等實際應(yīng)用領(lǐng)域邁出了重要一步。
南大團隊將二維半導(dǎo)體集成電路推向千兆赫茲
2023年，南大電子科學(xué)與工程學(xué)院王欣然教授、施毅教授帶領(lǐng)的團隊在二維半導(dǎo)體集成電路領(lǐng)域取得突破性進(jìn)展。通過設(shè)計-工藝協(xié)同優(yōu)化（DTCO），開發(fā)出空氣隔墻晶體管結(jié)構(gòu)，大幅降低寄生電容，在國際上首次實現(xiàn)了GHz頻率的二維半導(dǎo)體環(huán)形振蕩器電路，比原有記錄提升200倍，并預(yù)測了二維半導(dǎo)體應(yīng)用于1nm節(jié)點集成電路的潛力與技術(shù)路徑。
該成果不僅首次實現(xiàn)了GHz二維半導(dǎo)體集成電路，而且展示了DTCO在減少非理想寄生效應(yīng)、在眾多權(quán)衡中找到性能/功耗/面積最優(yōu)解的關(guān)鍵作用，為高性能二維集成電路發(fā)展指明了方向。
通過上述研究和進(jìn)展能看到，二維半導(dǎo)體正逐漸釋放產(chǎn)業(yè)潛力，加速從實驗室到規(guī)模市場落地的躍遷路徑。
二維半導(dǎo)體：
產(chǎn)業(yè)化挑戰(zhàn)與潛在發(fā)展路徑
需要注意的是，《芯片，最新路線圖》文章中指出：IMEC預(yù)計，到2039年，基于二維材料的第二代2DFET將成為主流。不過，引入二維材料的同時仍附帶一系列挑戰(zhàn)，會增加向A2節(jié)點導(dǎo)入時的成本和集成難度。
IMEC提出了多方面的挑戰(zhàn)與問題：
二維材料的沉積：首先，要如何在晶圓上形成2D材料層是一大挑戰(zhàn)。對于需要高性能器件的應(yīng)用，主要有兩條路線：
1）直接在目標(biāo)襯底上生長2D材料。
直接生長通常需要特定襯底，并且在高溫（約1000℃）下進(jìn)行。如果需要與工業(yè)兼容的工藝和材料，則這種生長襯未必理想，不利于高晶化度，從而降低薄膜性能。不過，直接生長可能具備一致性好、可覆蓋整片晶圓以及與工業(yè)流程相容等優(yōu)點。
2）在"生長襯底"上先行生長，然后再將該層轉(zhuǎn)移到目標(biāo)襯底。
第二種方法是在外部"理想"襯底上生長，得到高性能薄膜后，再將其轉(zhuǎn)移到目標(biāo)晶圓。轉(zhuǎn)移本身溫度可低得多（約300℃），與直接生長相比可避免對目標(biāo)晶圓過度加熱。然而，轉(zhuǎn)移增加了流程步驟，也可能影響成本與制程良率。
柵極疊層與介電沉積：第二項挑戰(zhàn)與柵極疊層及介電質(zhì)沉積相關(guān)。有意思的是，促使二維材料能做到超薄的主要原因（即2D原子層之間僅有很弱的范德華力）也使得介電層沉積更加復(fù)雜。這些薄層表面幾乎無懸掛鍵，使得傳統(tǒng)在硅上使用極為成熟的沉積方法（原子層沉積ALD）變得困難。
低電阻源/漏接觸：第三大挑戰(zhàn)是形成低電阻的源極/漏極接觸。對硅而言，通過在源漏區(qū)與金屬相接觸時生成肖特基勢壘，并通過隧穿注入載流子，從而得到低接觸電阻。常用方法包括對源漏區(qū)進(jìn)行高摻雜，或在其上形成金屬硅化物。然而這些方法在超薄的二維材料層上非常困難?？蒲腥藛T因此在探索替代方案。
二維材料的摻雜：不僅是為了獲得低電阻接觸，還需要摻雜來調(diào)節(jié)溝道的閾值電壓（Vth）以及降低寄生電阻。但對2D材料進(jìn)行傳統(tǒng)離子注入會嚴(yán)重破壞其晶格，進(jìn)而顯著降低其傳輸特性。因為在如此極薄的結(jié)構(gòu)中，即使替換一個晶格原子也會產(chǎn)生遠(yuǎn)比三維材料更嚴(yán)重的影響。目前仍在探索其他摻雜方式（如靜電摻雜或表面摻雜），但尚無公認(rèn)的明確解決方案。
p型FET與n型FET：在CMOS技術(shù)中，n型和p型FET皆不可或缺。對傳統(tǒng)CMOS來說，硅既可做n型，又能做p型；但尚無發(fā)現(xiàn)任何單一2D材料可同時滿足n型與p型器件的最佳性能：例如MoS2適合做n型，而WSe2最具p型潛力。
綜合來看，二維半導(dǎo)體材料的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程中，其挑戰(zhàn)貫穿材料制備、工藝集成、器件性能、規(guī)?；a(chǎn)能力、產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同等全鏈條。
針對二維材料在芯片領(lǐng)域的發(fā)展，業(yè)界專家和研究機構(gòu)提出了以下潛在路徑：
1) 充分利用二維材料尺寸微縮的優(yōu)勢，在數(shù)字和模擬電路領(lǐng)域發(fā)展全二維系統(tǒng)。盡管目前在器件方面取得了顯著的進(jìn)展，但將二維材料銜接整合到現(xiàn)有先進(jìn)工藝節(jié)點并建立全套生態(tài)體系仍存在巨大挑戰(zhàn)；
2) 發(fā)展異質(zhì)集成芯片技術(shù)，如基于硅與二維材料的堆疊芯片或分區(qū)集成技術(shù)(如Chiplet技術(shù))；這一路徑充分利用現(xiàn)有硅基成熟的生態(tài)，進(jìn)一步發(fā)展與硅基兼容的二維材料集成工藝，是目前最具前景的路徑之一；
3) 目前對于主流應(yīng)用來說，二維材料暫時無法取代成熟的塊體材料，如Si和GaN等；但利用二維材料的優(yōu)勢，如低工作電流和漏電流以及多功能特性，可能在相對低的材料質(zhì)量要求下，選擇性應(yīng)用于部分場景，包括低功耗器件、柔性傳感器和神經(jīng)形態(tài)計算等。基于現(xiàn)有的相對低成本的工藝，有望在不久的將來推動二維材料的產(chǎn)業(yè)化。
寫在最后
展望未來，二維半導(dǎo)體材料的崛起不僅是技術(shù)迭代，更是產(chǎn)業(yè)生態(tài)的重構(gòu)。
短期（3-5年）：二維材料將在低功耗邊緣計算芯片、高性能光電器件及柔性顯示領(lǐng)域率先商業(yè)化，例如原集微計劃2029年量產(chǎn)二維材料邊緣算力芯片，而三星、LG等廠商已探索二維材料在Micro LED中的應(yīng)用。
中期（5-10年）：隨著12英寸晶圓量產(chǎn)技術(shù)成熟，二維材料有望在3納米以下邏輯芯片及存算一體架構(gòu)中大規(guī)模替代硅基材料，推動芯片能效比提升10倍以上，同時催生新型三維異構(gòu)集成技術(shù)（如邏輯層二維材料與存儲層硅基器件的垂直整合）。
長期（10年以上）：二維材料可能成為量子計算、光量子通信及生物電子等顛覆性技術(shù)的核心載體，其原子級厚度與量子特性為下一代信息技術(shù)提供無限想象空間。
二維半導(dǎo)體材料正從實驗室穩(wěn)步邁向產(chǎn)業(yè)舞臺中央，其發(fā)展不僅是一場技術(shù)突破，更將重塑全球半導(dǎo)體供應(yīng)鏈的權(quán)力格局。中國憑借政策扶持、技術(shù)積淀與產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同優(yōu)勢，有望在這場變革中占據(jù)戰(zhàn)略制高點，而全球競爭的加劇，必將加速材料科學(xué)、制造工藝與應(yīng)用場景的全方位創(chuàng)新。
這一進(jìn)程中，二維材料絕非僅是"延續(xù)摩爾定律的補丁"，更是開啟"超越摩爾時代"的關(guān)鍵鑰匙。未來，它將深度整合邏輯電路、存儲、傳感、光電集成等領(lǐng)域，推動電子系統(tǒng)向高度異質(zhì)化演進(jìn)，深刻重塑人類對信息處理、能源轉(zhuǎn)換乃至生命科學(xué)的認(rèn)知邊界。
*免責(zé)聲明：本文由作者原創(chuàng)。文章內(nèi)容系作者個人觀點，半導(dǎo)體行業(yè)觀察轉(zhuǎn)載僅為了傳達(dá)一種不同的觀點，不代表半導(dǎo)體行業(yè)觀察對該觀點贊同或支持，如果有任何異議，歡迎聯(lián)系半導(dǎo)體行業(yè)觀察。
