二维材料：重塑未来芯片的关键技术

二维材料：重塑未来芯片的关键技术

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https://wap.sciencenet.cn/blog-3411509-1429015.html?mobile=1

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https://blog.csdn.net/monian000/article/details/136949402

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https://news.hit.edu.cn/2024/0929/c1510a236607/page.htm

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https://www.mse.pku.edu.cn/info/1273/3641.htm

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https://www.icviews.cn/news/9007/7

随着摩尔定律逐渐逼近物理极限，传统硅基芯片技术正面临前所未有的挑战。在这一关键时刻，一种新型材料——二维材料，以其独特的物理特性，为芯片技术的未来发展带来了新的希望。

二维材料，顾名思义，是在平面内具有周期性晶格结构的超薄材料，其厚度仅在原子级别。这种独特的结构赋予了二维材料一系列优异的物理性质：

• 可调的能带结构：通过控制材料的层数或施加外力，可以改变其电子能带结构，从而实现从半金属到半导体甚至绝缘体的转变。
• 优异的电学性能：二维材料展现出极高的载流子迁移率，这意味着在芯片中可以实现更快的信号传输速度。
• 良好的兼容性：二维材料可以与硅等传统半导体材料无缝集成，为技术过渡提供了便利条件。
• 广阔的能带范围：从半金属到半导体再到绝缘体，二维材料覆盖了广泛的能带范围，为不同应用场景提供了更多选择。

这些特性使得二维材料在后摩尔时代芯片技术发展中具有巨大的潜力，特别是在数字电路、模拟电路、传感器以及新兴的量子计算领域。

近年来，二维材料在芯片领域的研究取得了显著进展。清华大学任天令教授团队的研究显示，基于二维材料的晶体管已经实现了接近理论极限的性能。例如，通过优化器件工艺，研究人员已经能够实现极小尺寸的栅极长度，同时保持优异的电学性能。

在材料制备方面，哈尔滨工业大学深圳校区的研究团队开发了一种新型的高κ介电材料——超薄单晶铌酸镁（MgNb2O6）。这种材料具有高达15-20的介电常数和优异的温度稳定性，能够显著提升二维晶体管的性能。基于这种新材料，研究团队成功制备了高性能的MoS2场效应晶体管，实现了超过4×107的开关比和低至62 mV·dec−1的亚阈值摆幅。

在二维半导体材料研究领域，中国已经走在了世界前列。北京科技大学张跃院士领导的团队在该领域取得了突破性进展：

• 6英寸实验平台：已建成6英寸二维半导体材料与芯片集成实验平台，为产业化提供了重要基础。
• 全球最大单晶：成功制备出目前尺寸最大的单层MoS2单晶，为工业化应用奠定了基础。
• 技术路线图：制定了详细的二维半导体材料与芯片集成制造技术路线图，明确了产业化路径。

这些成果表明，中国在面向1nm制程的二维半导体材料新赛道上已经占据了战略高地。二维过渡金属硫族化合物材料，如MoS2，因其优异的性能和广阔的前景，被认为是未来集成电路的关键新材料。

二维材料在芯片领域的应用前景广阔。从短期来看，二维材料有望率先在高性能计算、低功耗电子设备和传感器等领域实现突破。长期来看，随着技术的不断进步，二维材料有望彻底改变芯片制造工艺，推动集成电路向更小尺寸、更高集成度和更低功耗方向发展。

然而，要实现这一愿景仍面临诸多挑战。例如，如何实现大规模、高质量的二维材料制备，如何优化器件工艺以提高良率和可靠性，以及如何解决二维材料的封装问题等。但正如张跃院士所说，“一代材料，一代技术，一代装备，一代产业”，率先突破这些技术瓶颈的国家将在未来的科技竞争中占据主导地位。

随着全球对先进制程芯片需求的不断增长，二维材料作为突破传统硅基芯片技术瓶颈的重要途径，其重要性日益凸显。中国在这一领域的领先优势，不仅有助于打破现有技术封锁，更有可能创造引领全球信息技术变革的新方案。未来，随着研究的深入和产业化的推进，二维材料有望重塑芯片产业格局，开启信息技术发展的新篇章。