基于二维材料的器件及芯片技术发展路线
基于二维材料的器件及芯片技术发展路线
随着晶体管尺寸的持续微缩，纳米尺度的硅基器件受到量子隧穿等短沟道效应的影响，造成了严重的性能下降。为了克服硅材料的局限性，推动后摩尔时代的发展，原子层级厚度的二维材料引发了广泛的关注。二维材料在推动摩尔定律向着More Moore, More Than Moore以及Beyond Moore方向发展上有着广阔的前景，为克服当前硅基器件的限制和推动微电子技术的发展极限提供了契机。
二维材料的优势
与传统的块状硅材料不同，二维材料在平面上表现出晶格周期性，通过控制二维材料的层数、异质结构等几何结构，或外加应变和电场，改变其晶格周期性，最终影响能带结构和带隙的大小。二维材料的不同晶格结构和原子排列产生了不同的电子能带结构，从而产生了宽的能带范围，涵盖了半金属、半导体和绝缘体。二维材料易于与其他材料集成，不受晶格常数匹配的约束。随着大数据时代的到来，一些新的计算架构和机制已经被引入下一代计算技术。得益于二维材料独特的性质，基于二维材料的存储器件、神经形态器件、量子器件、离子晶体管等被广泛地研究和应用。
基于二维材料的器件及芯片加工工艺
材料合成
器件性能均一性是实现二维电路的重要基础，在材料质量方面，芯片级二维电路的实现需要合成均匀且缺陷密度低的晶圆级单晶材料。目前，晶圆级单晶材料的主要制备方法包括化学气相沉积法、机械剥离法和液相剥离等，研究人员从材料生长机制、源材料选择和工艺优化等多个角度对制备材料尺寸和材料性能进行优化。
接近理论极限的器件工艺优化
二维材料应用于芯片的迫切需求，激发了晶体管器件工艺的研究热情和发展。许多研究都在努力利用二维材料的独特结构来开发新型小型化晶体管器件，旨在实现栅极长度或沟道尺寸的极致缩放。并通过介质层集成工艺和电极接触工艺的优化，实现器件性能的优化。
材料转移与集成
由于二维材料的原子层厚度和精细晶格，实现二维材料的大规模转移或集成应充分考虑器件良率、器件间可变性、稳定性和可靠性。研究人员致力于开发形成原子级平坦界面和减少二维半导体缺陷、残留物和应变的集成转移方法。
二维器件的封装工艺
电子封装具有信号互连和芯片保护等功能，考虑到二维材料的空气敏感性及其相对有限的电压容限，二维封装技术的研究和开发仍然至关重要。现有研究多集中于二维材料封装保护层的研究，对于二维器件的信号互连和静电保护仍需更深入的研究和探索。
基于二维材料的数字与模拟电路
基于二维材料的数字集成电路
与模拟电路相比，数字电路多采用晶体管实现逻辑而无需电容、电感，有利于完成二维电路的初步设计，因此基于二维材料的大规模电路最可能先出现的生产形式是数字芯片。高开关速度和低功耗是数字电路的基本要求，二维材料因为具有高载流子迁移率、优异的电子传输特性、中等带隙、低电子散射以及灵活性和可扩展性而具有显著优势。为了实现二维数字集成电路，首先是实现完备的逻辑功能，进而实现复杂数字功能。
基于二维材料的模拟集成电路
尽管数字电路占据了主要的芯片面积和市场份额，但由于信号在自然界中固有的连续性，模拟电路不可或缺，如放大器、模数转换器、时钟和电源管理电路等。然而，传统的硅基CMOS技术随着功能的多样化和密度的提高，其性能提升遇到了噪声和带宽限制等瓶颈。二维材料具有独特的电学和光学特性，表现出优异的载流子迁移率、高导热性和低噪声特性，有利于高速信号处理和低功耗操作。此外，一些二维材料具有直接简化电路设计的固有特性，如石墨烯的双极性输运特性和黑磷的带隙可调特性。
基于二维材料的异质集成芯片
二维异质集成器件
异质集成技术在降低芯片能耗、降低芯片尺寸以及多功能应用具有显著优势，有望成为延续摩尔定律的核心技术。二维材料与异质集成的结合可以赋予器件更小的面积以及更低的功耗，并且不受短沟道效应以及晶格匹配的限制，从而提高器件沟道材料成分、厚度以及堆叠方式的可调性。
单片异质集成的二维集成电路
二维异质集成电路可以通过不同材料的优势结合补充实现提高芯片的空间利用率和速度并降低功耗，比如硅基与二维基的结合，不同于主要使用单沟道材料的传统集成电路，异质集成电路被认为是多功能应用和优化传统芯片性能的合适且可靠的策略。
基于二维材料的传感芯片
尽管传统的硅基传感器芯片已经得到了大量的研究和商业应用，但它们通常面临短通道效应、散热、门调制、响应时间长和灵敏度不足等限制。为了解决这些问题，研究人员已经将注意力转向具有原子层厚度的二维材料。二维材料在传感器技术中的应用具有高灵敏度、快速响应、可调性和高稳定性等明显优势。随着晶圆级二维材料生长技术和转移技术的快速发展，二维材料传感器芯片在过去的十年里取得了显著的进步。
基于二维材料的人工智能芯片
大数据时代，人类社会面临着人工智能需求不断增长与算力不足的矛盾。当前具有物理分离的计算和存储单元的冯·诺依曼架构存在两个严重的问题，即存储墙和功耗墙。作为未来人工智能系统的首选架构，基于非冯诺依曼架构的存内计算和感内计算范式的思想具有广阔的应用前景。在这个研究领域，各种材料被广泛探索。其中，二维材料因其独特的结构和多样的物理性质而受到特别关注。
基于二维材料的量子器件及芯片
量子技术基于自旋态叠加、纠缠和相干等现象。在计算、通信、感知和存储等领域，有着相较于经典技术的独特的优势。原子级薄的二维材料在其厚度方向表现出引人瞩目的量子限制效应，为量子信息技术提供了崭新的平台，在量子计算、量子通信和量子传感等领域展现出广阔的前景。由于二维材料中的电子只在两个方向上运动，界面电子散射较少，提高了相干时间，在制造低功耗设备方面具有巨大的优势。二维材料涵盖了从零到宽带隙的广泛能隙范围，并且易于控制。在二维材料中，自旋缺陷更容易进行阵列化以便制造，其原子尺度的厚度更有利于其检测微小空间内的物理场。
二维材料产业化面临的挑战与潜在路径
目前二维材料在半导体行业的应用仍处于起步阶段，主要集中在科研领域和低附加值产品的开发，产业化需要更加高效稳定、低成本的技术方法，进一步发展还需要从器件性能、工艺兼容性以及规模化生产能力等方面努力，除了实验室研究外，还需发展与产业化相关的技术知识。二维材料产业化研究相比于实验室有着特殊的挑战，主要关注的领域包括：
具有成本效益的合成技术：目前二维材料的制备尚缺乏统一的制造策略和质量评估体系，需要建立全面的评估标准。由于二维材料的原子薄特性，传统的离子注入方法不可行，需要开发新的具有成本效益的制造技术，同时克服厚度控制、均匀性以及缺陷等影响因素的挑战。
产线集成：确保二维材料芯片生产线的制造基础设施包含必要或专用的组件来满足二维材料芯片自动化和智能加工的需求。由于二维材料较高的生长温度，还需要在传统CMOS工艺线中增设二维专用区域，包括大尺寸化学气相沉积生长系统，全自动转移与传送设备等。
电路设计：二维电路设计不能简单地采用硅基电路的方案和方法，需要进一步发展专门针对二维材料的设计流程、方法及相关软件，包括PDK等。此外，电路设计时应充分考虑热负荷以及芯片间串扰引发的挑战，可以考虑冗余设计来提高器件良率。
封装与测试：二维材料活泼的表面性质使得其对环境条件较为敏感，容易发生氧化或被污染导致性能退化，因此需要开发定制的封装和保护措施，此外，对于晶圆级材料的评估和测试需贯彻整个晶圆生产过程，对二维材料的微观结构变化、失效行为评估以及电学性能等测试需要进一步优化和改进。
计量和表征：在二维材料的生长和器件制备过程中进行实时观察对于理解材料生长机制和保证质量控制至关重要。考虑到二维材料的原子层结构，开发非破坏性表征技术(如光学监测)至关重要。一方面，关键在于利用现有的传统表征技术，并将其调整以适应2D材料的独特特性。另一方面，需要开发更有针对性或专业化的表征方法，以提供有关材料结构和形态的精确信息。此外，需要建立全面的材料质量和监测评估系统，以实现对这些材料结构质量和整体性能的原位监测。
同时针对二维材料在芯片领域的发展，我们也提出了以下三点潜在路径：
充分利用二维材料尺寸微缩的优势，在数字和模拟电路领域发展全二维系统。尽管目前在器件方面取得了显著的进展，但将二维材料衔接整合到现有先进工艺节点并建立全套生态体系仍存在巨大挑战；
发展异质集成芯片技术，如基于硅与二维材料的堆叠芯片或分区集成技术(如Chiplet技术)；这一路径充分利用现有硅基成熟的生态，进一步发展与硅基兼容的二维材料集成工艺，是目前最具前景的路径之一；
目前对于主流应用来说，二维材料暂时无法取代成熟的块体材料，如Si和GaN等；但利用二维材料的优势，如低工作电流和漏电流以及多功能特性，可能在相对低的材料质量要求下，选择性应用于部分场景，包括低功耗器件、柔性传感器和神经形态计算等。基于现有的相对低成本的工艺，有望在不久的将来推动二维材料的产业化。
本文原文来自Nano-Micro Letters，作者为清华大学任天令教授、田禾副教授等多位专家学者。