复旦大学领衔突破：二维材料或成芯片性能提升新引擎
复旦大学领衔突破：二维材料或成芯片性能提升新引擎
近日，复旦大学微电子学院周鹏团队在Nature Nanotechnology发表综述文章，探讨了二维材料在下一代计算技术中的应用潜力。这一突破性研究不仅展示了二维材料如石墨烯和过渡金属二硫化物（TMDs）在芯片领域的巨大潜力，更为突破传统硅基技术的局限性提供了新的解决方案。
二维材料：突破硅基技术的局限
随着集成电路技术的不断发展，金属-氧化物-半导体场效应晶体管（MOSFET）和互补金属-氧化物-半导体（CMOS）电路已经成为现代科技进步的关键驱动力。然而，当器件尺寸缩小到亚10纳米尺度以下时，硅基MOSFET面临着严重的短沟道效应，这不仅限制了器件性能的提升，还影响了集成电路的进一步发展。
二维材料是由单个或少量原子层组成的分层材料，具有原子尺度厚度和非悬挂键界面的特性。这些特性使得二维材料在超薄通道场效应晶体管（FETs）中展现出潜在的优异性能。其中，石墨烯和过渡金属二硫化物（TMDs）因其独特的物理性质而备受关注。
技术突破：从实验室到工业应用
哈工大深圳校区研究团队在二维集成电路领域取得重要进展。他们开发了基于超薄单晶铌酸镁高κ栅介质的二维场效应晶体管（FET）器件，突破了二维半导体材料与超薄单晶介电层的集成工艺和器件服役瓶颈。实验结果显示，基于超薄MgNb2O6单晶介电层的顶栅结构单层MoS2场效应晶体管阵列器件表现出超过4×107的开关比，低至62 mV·dec−1的亚阈值摆幅（SS），以及优异的温度稳定性。
与此同时，英特尔研究团队也在二维晶体管领域取得突破。他们通过使用硅和超硅材料构成的原子级厚度2D晶体管，提高了全环绕栅极晶体管的规模和性能。此外，英特尔还开发出减法钌技术以提升晶体管的互连性能，并研发出新型选择性层转移技术，可以将芯片到芯片的组装吞吐量提高100倍。
面临的挑战
尽管二维材料展现出巨大的应用潜力，但将其从实验室推广到工业应用仍面临诸多挑战。其中，控制材料缺陷、实现大规模生产的统一性，以及解决p/n型应用中硅和二维材料的性能不匹配问题是关键挑战。
目前，通过外延生长技术已经可以制造12英寸单晶MoS2单层。此前，最先进的技术主要涉及生产尺寸较小的晶圆，单晶质量的均匀性和一致性较差。两项独立研究表明，金属有机化学气相沉积可以生长12英寸单晶MoS2单层。该工艺采用石英喷嘴引导前体输送方法。此外，还开发了一种模块化生长策略，用于批量生产晶圆级过渡金属二硫属化物。该工艺允许制造2英寸晶圆，每批最多可生产15片。它还创下了12英寸晶圆尺寸的记录，每批产能为3片。
然而，这些进步仍处于技术准备水平（TRL）4-5阶段，需要进一步提高精度和可扩展性。此外，制定标准化、精细化的二维材料表征评估标准也是当前的重要任务。人工智能工具的集成对于制定标准化和精细化的评估标准至关重要。人工智能提高了分析实验元数据的准确性和效率。它使材料表征更加可靠和简化。
未来展望
二维材料的高性能在原子厚度下打开了超越传统体材料限制的晶体管微型化可能性。通过借鉴硅MOSFET技术的持续创新经验，结合对通道、接触和介质工程方法的优化和进一步发展，我们可以朝着终极尺度的设备性能突破迈进。
在这一过程中，2D晶体管的优化需要全面考虑不同类型的器件工程。尤其是在整体前端工艺方面，实现自对准集成工艺、高质量晶片级2DMs合成和转移是至关重要的。重要的是，本综述激发了我们在新材料领域的探索，为突破性的集成电路技术发展开辟了新的道路。通过跨学科合作和系统性研究，我们可以迈向2DMs在大规模集成中的成功应用，为未来的技术创新和产业发展做出贡献。