半導(dǎo)體材料，飛躍2D

作者：九林

2D材料是摩爾定律的顛覆者之一。

眾所周知，當(dāng)摩爾定律走向終結(jié)，芯片未來設(shè)計開始面臨種種困難，由于功能性器件特征尺寸不斷地減小，器件中出現(xiàn)的尺寸效應(yīng)、量子效應(yīng)、短溝道效應(yīng)以及熱效應(yīng)等會導(dǎo)致器件性能下降甚至失效?；趥鹘y(tǒng)半導(dǎo)體材料的硅基功能性器件已經(jīng)達(dá)到極限。

如果從設(shè)計合理的硬件和算法等方面著手提高性能，達(dá)到的效果始終有限，那么，從新型半導(dǎo)體材料本身出發(fā)去尋找新的器件性能，無疑是一個好的方向。

2D材料的開始

2D材料是一種在厚度方向上僅僅具有單個或者多個原子層，并且依靠層間的范德瓦爾斯力堆積而成的層狀材料。一開始2D半導(dǎo)體材料主要圍繞碳基成果展開，包括碳納米管、石墨烯等碳基材料。IBM一項(xiàng)研究表明，相比硅基芯片，石墨烯芯片在性能和功耗方面將有較大提升。比如，硅基芯片制程從7nm推進(jìn)至5nm，芯片速度將有20%的提升；而7nm制程的石墨烯芯片相比7nm制程的硅基芯片，速度提升高達(dá)300%。

2D材料的本質(zhì)是延續(xù)電子摩爾定律，很多實(shí)驗(yàn)室的數(shù)據(jù)都能夠證明，碳基2D材料可以較好的延續(xù)電子摩爾定律。隨著基于Si的晶體管溝道越來越小，即使柵極上沒有電壓，電流也開始在其上泄漏。而2D材料可以被構(gòu)造成幾個甚至單個原子層，從而提供了提供非常薄的溝道區(qū)域的可能性，并且無需擔(dān)心短溝道效應(yīng)。

而在石墨烯被發(fā)現(xiàn)后，由于二維過渡金屬硫族化合物（TMDCs）具有類似的結(jié)構(gòu)，成為一種新型的類石墨烯材料。因此，除去石墨烯外，以過渡金屬硫族化合物為代表的如MoS2、WS2、WSe2以及黑磷等材料，也被認(rèn)為是2D材料。其中，研究最廣泛的是二硫化鉬MoS2。理論上，與二硫化鉬相比，電子應(yīng)該更快的穿過二硫化鎢（另一種 2D 材料）。但在英特爾的實(shí)驗(yàn)中，二硫化鉬器件更勝一籌。

實(shí)驗(yàn)報告，基于MoS2設(shè)備的最高遷移率值接近理論值200cm2/Vs。由于在極薄厚度下具有高遷移率，斯坦福大學(xué)的研究人員也認(rèn)為，在10nm以下工藝中MoS2等過渡金屬二硫化物 (TMD)是晶體管材料的首要選擇。

面對如何延續(xù)摩爾定律的問題，2D材料是強(qiáng)有力的種子選手。但目前來看，2D材料如何工業(yè)化是一個需要突破的問題。

何時走出實(shí)驗(yàn)室？

在工業(yè)生產(chǎn)中，要使整個半導(dǎo)體行業(yè)采用新材料無疑是一個極具顛覆性的過程。目前的半導(dǎo)體業(yè)想要繼續(xù)保證半導(dǎo)體6000億美元市場的持續(xù)增長，正在為擴(kuò)展摩爾定律焦頭爛額，但仍沒有一個新的技術(shù)能夠保證一定延續(xù)摩爾定律。這也是為什么2D材料開始成為業(yè)界的關(guān)注焦點(diǎn)。

但2D材料如今的情況是只能在實(shí)驗(yàn)室中小批量生產(chǎn)，用來支持學(xué)術(shù)研究。從2D材料繼承到擴(kuò)大工業(yè)化的過程中面臨著諸多問題，其中包括設(shè)計工具的改變、材料生長、材料轉(zhuǎn)移和生產(chǎn)線的集成。

將2D材料實(shí)現(xiàn)工業(yè)化的第一個問題就是解決設(shè)計工具和工藝。想要按照目前業(yè)界的良率標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)8英寸或者12英寸的晶圓，并不是一件容易的事情。這其中的每一步都需要專門設(shè)計和定制專業(yè)的生產(chǎn)工具。

從材料生產(chǎn)開始，化學(xué)氣相沉積 (CVD) 是生產(chǎn)石墨烯和其他2D材料（如六方氮化硼）最廣泛使用的工藝。

生產(chǎn)石墨烯涉及將加熱的基板在真空中暴露于含碳?xì)怏w。隨著氣體沉積在熱基板表面上，碳會生長成石墨烯獨(dú)特的蜂窩狀圖案。這個過程需要嚴(yán)格控制溫度和其他參數(shù)，以確保高質(zhì)量的材料可以生長到所需的晶圓尺寸。

生長過程之后是干轉(zhuǎn)移過程，該過程將材料與生長襯底分離并將其移動到生產(chǎn)晶圓上。

這些流程的自動化是保證2D材料能夠工業(yè)生產(chǎn)的關(guān)鍵。

imec為在12英寸集成流程中采用這些2D材料奠定了基礎(chǔ)。設(shè)計了一系列流程用于研究各種處理?xiàng)l件的影響并努力提高性能。例如，可以使用金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積（MOCVD）演示2D材料在12英寸晶圓上的高質(zhì)量生長，該過程是通過化學(xué)反應(yīng)在表面沉積晶體的過程。使用該工具，可以在整個12英寸晶圓上以單層精度控制厚度。實(shí)驗(yàn)表明，較高的沉積溫度（即950°C）對鍍層的結(jié)晶度和缺陷率有有益的影響。

目前，除了溝道材料的質(zhì)量和缺陷率的控制仍然是提高器件性能的最大挑戰(zhàn)外，另一個有待解決掉是關(guān)于源極/漏極觸點(diǎn)的接觸電阻，需要降低到可接受的水平。

由于原子級薄的2D材料（如 MoS 2）是擴(kuò)展摩爾定律的候選材料之一，因此必須優(yōu)化它們的觸點(diǎn)，以便它們成為硅的合適替代品或補(bǔ)充品。降低接觸電阻的解決方案，可以實(shí)現(xiàn)更高的電流和更好的節(jié)能效果。

對此，半導(dǎo)體業(yè)也提出不同的解決方法。

中國臺灣大學(xué)、臺積電和麻省理工（MIT）便共同發(fā)布了1nm以下芯片重大研究成果，首度提出利用半金屬鉍（Bismuth，化學(xué)符號Bi）作為2D材料的接觸電極。

2022年4月斯坦福大學(xué)開發(fā)了一種在單層二維半導(dǎo)體上制造合金金屬觸點(diǎn)的新技術(shù)。這項(xiàng)研究可以讓這些 2D 半導(dǎo)體晶體管可靠且可重復(fù)地工作。

在舊金山舉行的 2021 IEEE 國際電子設(shè)備會議 (IEDM 2021) 上，英特爾、斯坦福和臺積電的研究人員提出在半導(dǎo)體與金屬接觸的地方有尖銳的電阻尖峰。

臺積電則考慮通過使用半金屬作為觸點(diǎn)材料來降低半導(dǎo)體和觸點(diǎn)之間的能壘。半金屬（例如銻）是一種處于金屬和半導(dǎo)體之間、并且具有零帶隙的材料，由此產(chǎn)生的肖特基勢壘非常低。

2D半導(dǎo)體材料的未來路線圖

2D 半導(dǎo)體研究始于 2011 年左右。從首次提出至今，石墨烯和2D材料(2DM)在科學(xué)和工程領(lǐng)域的研究已經(jīng)持續(xù)了15年。

從國外進(jìn)度來看，美國MIT于2019年開發(fā)用碳納米管制造的超大計算機(jī)芯片，一顆由1.4萬余個碳納米管晶體管（CNFET）組成的16位微處理器，證明可以完全由CNFET打造超越硅的微處理器。

2021年，歐盟“石墨烯旗艦計劃”，提出了一種將石墨烯和2D材料集成到半導(dǎo)體生產(chǎn)線的新方法，耗資2000萬歐元的“二維實(shí)驗(yàn)試驗(yàn)線（2D-EPL）”，旨在成為首家將石墨烯和層狀材料集成到半導(dǎo)體平臺的石墨烯晶圓廠，將基于2D材料的創(chuàng)新技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室引向規(guī)模化生產(chǎn)和商業(yè)化落地。

今年，韓國科學(xué)技術(shù)研究院宣布，由光電材料與器件中心的 Do Kyung Hwang 博士和物理系的 Kimoon Lee 教授領(lǐng)導(dǎo)的聯(lián)合研究小組在國立群山大學(xué)通過開發(fā)新型超薄電極材料（Cl-SnSe2），成功實(shí)現(xiàn)了基于二維半導(dǎo)體的電子和邏輯器件，其電氣性能可以自由控制。

國內(nèi)方面，對于2D材料的研究也熱火朝天。

中國松山湖材料實(shí)驗(yàn)室圍繞2D材料研究的關(guān)鍵問題，實(shí)驗(yàn)室布局了四大方向，涵蓋了從基礎(chǔ)科研到應(yīng)用探索的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，具體是：2D材料的基礎(chǔ)物理、高通量計算與理性設(shè)計，2D材料規(guī)?；苽渑c極限表征，二維體系中的奇異量子現(xiàn)象研究，基于2D材料的兼容工藝研發(fā)與原型器件探索。

中國科學(xué)院金屬研究所于2019年10月制備出“硅-石墨烯-鍺晶體管”，大幅縮短延遲時間，并將截止頻率由兆赫茲提升至吉赫茲。中國科學(xué)院物理研究所張廣宇團(tuán)隊(duì)在基于2D材料的透明、柔性器件大規(guī)模制備工藝方面取得突破性進(jìn)展，實(shí)現(xiàn)了柔性襯底上集成度大于?1000?且良品率達(dá)到?97%。

此外，北京大學(xué)、南京大學(xué)、復(fù)旦大學(xué)等高校都在2D材料的研究上有所突破。

北京大學(xué)物理學(xué)院劉開輝教授、王恩哥院士和俞大鵬院士等圍繞大尺寸二維單晶材料制備展開新機(jī)理探索和核心技術(shù)攻關(guān)，提出并發(fā)展了一套金屬襯底上米級二維單晶的通用原子制造技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了石墨烯單晶的超快生長、米級單晶石墨烯的外延制備、百平方厘米級單晶氮化硼薄膜制備以及30余種A4尺寸高指數(shù)單晶銅箔庫的制備。

南京大學(xué)王欣然團(tuán)隊(duì)和北京大學(xué)劉開輝團(tuán)隊(duì)成功實(shí)現(xiàn)晶圓級2D材料單晶的生長制備，為2D材料的研究與應(yīng)用奠定堅實(shí)的材料基礎(chǔ)。

復(fù)旦大學(xué)周鵬團(tuán)隊(duì)和中國科學(xué)院物理研究所高鴻鈞團(tuán)隊(duì)在基于2D材料的浮柵存儲器的研究領(lǐng)域取得突破性進(jìn)展，實(shí)現(xiàn)了納秒級的寫入及讀取速度，且開關(guān)比高達(dá)10，從而在性能上形成了對基于傳統(tǒng)半導(dǎo)體技術(shù)的存儲器件的絕對優(yōu)勢。

復(fù)旦大學(xué)周鵬團(tuán)隊(duì)致力于基于新型二維（2D）層狀材料的低功耗、高能效電子器件及系統(tǒng)集成研究，致力于2D材料在超快存儲器中的應(yīng)用，包括2D準(zhǔn)非易失性存儲器，半浮柵存儲器和神經(jīng)擬態(tài)突觸電子學(xué)等，近期團(tuán)隊(duì)的研究興趣已擴(kuò)展至基于2D原子晶體的新型存內(nèi)計算邏輯器件及存算融合系統(tǒng)。

2D材料的喜憂參半

總體而言，二維半導(dǎo)體器件的前景是喜憂參半。雖然最近的研究表明材料生長和觸點(diǎn)制造方面取得了重大進(jìn)展，但尚未證明可以與前沿硅競爭的設(shè)備。當(dāng)它們確實(shí)出現(xiàn)時，它們很可能涉及與當(dāng)前晶圓廠不同的材料和工藝。

在此前的國家科技體制改革和創(chuàng)新體系建設(shè)領(lǐng)導(dǎo)小組第十八次會議上，中共中央政治局委員、國務(wù)院副總理、國家科技體制改革和創(chuàng)新體系建設(shè)領(lǐng)導(dǎo)小組組長劉鶴主持會議，討論了面向后摩爾時代的集成電路潛在顛覆性技術(shù)。

作為新型半導(dǎo)體材料的2D材料，無疑是具有顛覆力的選手。但從實(shí)驗(yàn)室到工業(yè)廠，2D材料還需要時間。