2D CMOS，下一个飞跃

本文由半导体产业纵横（ID：ICVIEWS）编译自securities.io

二维材料凭借其原子级厚度和高载流子迁移率，提供了一种极具前景的替代方案。

在构成现代电子技术基础的半导体技术领域，硅（Si）是应用最广泛的材料。

硅是地球上仅次于氧的第二丰富元素，它通过微型化推动了半导体技术的进步。从微处理器到自动化、计算机、智能手机和电动汽车，硅通过显著缩小设备的物理尺寸，推动了电子技术的突破。

但现在，规模化带来的挑战使得探索新材料成为必要。二维（2D）材料展现出在原子层面上实现器件性能空前提升的潜力。

二维材料是单层原子的超薄纳米材料。它们具有高度的各向异性和化学功能性，其优异的电子特性使其具有广泛的应用前景。石墨烯是一种流行的二维材料。

因此，二维材料凭借其原子级厚度和高载流子迁移率，提供了一种极具前景的替代方案。基于这些材料的晶圆级生长、高性能场效应晶体管 (FET) 和电路也取得了重大进展。

场效应晶体管（FET）是一种利用电场控制半导体电流的晶体管。FET是现代电子器件中至关重要的电子元件，在高压高频电源电路中充当受控开关。

尽管已经取得了很大进展，但实现互补金属氧化物半导体 (CMOS)集成仍然是一个挑战。 CMOS是一种用于制造集成电路的技术，尤其适用于计算机处理器、存储芯片和其他数字设备。它有助于调节流经这些组件的电流，这对于组件的正常运行至关重要。

值得注意的是，CMOS 以互补的方式使用 n 型 (NMOS) 和 p 型 (PMOS) 晶体管来实现逻辑功能。

N型晶体管使用带负电的电子作为主要电荷载流子来导电，并允许电流流动。在P型晶体管中，大多数电荷载流子是空穴（正电荷），它们允许电流从电源流到输出。

在CMOS中，金属氧化物半导体是指用于构造晶体管的材料：用于栅极的金属、用于绝缘层的氧化物和用于通道的硅半导体。

CMOS 的强大之处在于它能够在单个半导体芯片上构建复杂的电子电路。此外，由于 CMOS 晶体管仅在状态切换（开/关）时消耗功率，因此与其他技术相比，CMOS 晶体管的功耗更低。此外，CMOS 电路以其高可靠性而闻名。

现在，宾夕法尼亚州立大学的研究人员已经克服了将 CMOS 与 2D 材料集成的挑战。他们所做的是，开发了基于CMOS技术的二维单指令集计算机，它利用了大面积n型MoS2和p型WSe2场效应晶体管的异质集成。

该团队通过调整 n 型和 p 型 2D FET 的阈值电压，实现了高驱动电流并降低了亚阈值漏电。这是通过调整沟道长度实现的，为此他们采用了高 κ 栅极电介质，并优化了材料生长和器件后处理。

这使得电路可以在低于 3 V 的电压下运行，运行频率高达 25 kHz，并且具有皮瓦范围内的超低功耗和约 100 pJ 的开关能量。

 二维CMOS计算机突破原子极限

硅是半导体技术的领先者，但与这种化学元素不同的是，单原子厚度的二维材料能够在这种规模上保留其特性。

在“通过不断实现场效应晶体管（FET）的小型化，推动了电子技术数十年的显著进步”之后，硅在进一步制造更好、更小的设备方面面临着重大挑战。

“随着硅器件的缩小，它们的性能开始下降，”研究负责人、宾夕法尼亚州立大学阿克利工程学教授兼工程科学与力学教授 Saptarshi Das 指出。

相比之下，二维材料即使在原子厚度下也能保持其优异的电子特性，因此“提供了一条充满希望的发展道路”。在这项开创性的工作中，研究团队利用二维材料开发了一台能够进行简单操作的计算机。

该研究发表在《自然》杂志，得到了海军研究办公室、陆军研究办公室和美国国家科学基金会的部分支持，详细介绍了实现更薄、更快、更节能的电子产品的重大飞跃。

如上所述，他们制造出了一台不依赖硅的CMOS计算机。硅是一种四价准金属，其性质介于金属和非金属之间。研究人员用两种不同的二维材料替代硅，从而开发出CMOS计算机中控制电流所需的两种晶体管。

对于 n 型晶体管，他们使用了二硫化钼 (MoS2)，这是一类二维过渡金属二硫属化物 (TMDC) 无机材料，具有低摩擦系数、优异的热稳定性和高耐磨性（取决于特定条件）。

对于p型晶体管，使用二硒化钨（WSe2）。这种无机化合物具有类似于二硫化钼的六方晶体结构，并以其独特的电子特性而闻名，包括高载流子迁移率、相当大的带隙和卓越的开关比。

CMOS技术需要n型半导体和p型半导体协同工作，才能在低功耗下实现高性能。然而，这一直是阻碍其超越硅技术的关键挑战。

尽管研究表明基于二维材料的小电路可以扩展到复杂、功能性的计算机，但这一成就尚未实现。

据研究人员称，这是他们工作的关键进展。他们首次完全由二维材料构建了CMOS计算机，结合了大面积生长的二硫化钼和二硒化钨晶体管。

为了制造晶体管，该团队使用了一种称为金属有机化学气相沉积（MOCVD）的工艺。在此过程中，成分被蒸发，引发化学反应，并将产物沉积到基底上。

该团队利用 MOCVD 技术生长出大片二硫化钼和二硒化钨，并制造了每种类型的晶体管 1,000 多个。

然后，通过对器件制造和后处理进行仔细的改变，该团队能够调整 n 型和 p 型晶体管的阈值电压，从而开发出功能齐全的 CMOS 逻辑电路。

据该研究的第一作者、工程科学与力学博士生 Subir Ghosh 称：“我们的 2D CMOS 计算机在低电源电压下运行，功耗极低，并且能够在高达 25 千赫的频率下执行简单的逻辑运算。”

虽然与传统硅 CMOS 电路相比，该工作频率较低，但 Ghosh 指出，他们的计算机仍然能够执行简单的逻辑运算。“我们还开发了一个计算模型，该模型使用实验数据进行校准，并考虑了不同设备之间的差异，用于预测我们的二维CMOS计算机的性能，并与最先进的硅技术进行对比。尽管仍有进一步优化的空间，但这项工作标志着利用二维材料推动电子领域发展的重要里程碑。”因此，尽管取得了巨大成就，但这项工作仍未完成。需要进行更多研究，以进一步开发二维CMOS计算机方法，使其得到更广泛的应用。不过，Ghosh强调，与硅技术的发展相比，该领域的进步速度非常快。“硅技术已经发展了大约80年，但对二维材料的研究相对较新，直到2010年左右才真正兴起。我们预计二维材料计算机的发展也将是一个渐进的过程，但与硅的发展轨迹相比，这是一个飞跃。”

 利用二维材料大规模构建微芯片

几个月前，中国科学家也报告称，他们利用二硫化钼研制出了一种微芯片。该芯片集成了5931个晶体管，每个晶体管的厚度为三个原子。

科学家认为，当硅无法提供进一步的进步时，二硫化钼（MoS2）可以让摩尔定律继续延续。

复旦大学教授包文忠表示，“尽管二维材料十多年来一直受到广泛推崇，但其当前发展的真正限制并不是任何单一设备的性能，因为许多二维电子设备在实验室水平上运行良好。”

他补充说，由于“缺乏可扩展、可重复且与工业流程兼容的集成技术体系”，二维材料的实用性受到质疑。

因此，该团队研发了一款名为 RV32-WUJI 的新型微芯片。它拥有近 6,000 个采用传统 CMOS 技术制造的 MoS2 晶体管，标志着该芯片从实验室研究迈向系统级工程应用。

该微芯片采用RISC-V架构，可执行标准的32位指令。新处理器构建在绝缘蓝宝石基板上，该基板将晶体管彼此电子隔离。此外，还为RV32-WUJI开发了一个标准单元库，其中包含25种用于执行基本功能的逻辑单元。为了优化流程的每个步骤，团队使用了机器学习技术。

研究人员已实现99.77%的制造良率，该芯片在执行运算时仅消耗0.43毫瓦的功率。

虽然硅芯片的晶体管数量是新器件的数百万倍，工作频率也同样快得多，但包文忠表示，这项新研究是在实验室中进行的，这与过去几十年来投入大量研发资源的硅基半导体截然不同。他补充道，如果业界采用二维半导体，“我们相信，赶超硅基半导体性能的速度将比我们想象的要快。”

维也纳技术大学最近进行的一项新研究中，二维活性材料二硫化钼（MoS2）也在原子水平上进行了铂（Pt）升级。

研究人员将单个 Pt 原子嵌入到超薄 MoS2 单层中，并首次通过创新方法以原子精度确定了它们在晶格内的精确位置。

研究人员认为，他们的方法集成了 MoS2 单层中的目标缺陷创建、受控的铂沉积和高对比度的计算显微成像技术，为理解和设计二维系统中的原子级特征提供了新的途径。

 超越CMOS：混合二维材料和量子路径

长期以来，研究人员一直在寻找能够取代下一代电子产品中硅的新材料。这些材料必须能够提供更高的性能和更低的功耗，同时具备可扩展性，而这往往需要二维材料。

几年前，由麻省理工学院共同领导的一项多机构研究实际上取得了两项技术突破，并且首次报告了他们采用过渡金属二硫属化物 (TMD) 生长半导体材料的方法可以使设备更快、更节能。

为了创造新材料，该团队必须克服晶圆规模或大规模的三个挑战：确保单晶性、垂直异质结构和防止厚度不均匀。

与3D材料不同，3D材料需要经过粗糙化和平滑化处理才能获得表面均匀的材料，而2D材料无法进行这种处理，导致表面不平整。这使得大规模、高质量、均匀的2D材料难以生产。

因此，该团队构建了一种促进二维材料动力学控制的受限结构，这不仅解决了所有挑战，而且还要求自定义种子生长以缩短生长时间。

另一项技术突破是大规模、逐层展示单畴异质结 TMD。对二维材料的研究实际上正在不断扩大，科学家们不断尝试解锁新的功能以实现更先进的未来。 就在几周前，莱斯大学的材料科学家通过化学方法将石墨烯和二氧化硅玻璃（两种根本不同的二维材料）结合成一种名为石墨烯的化合物，从而创造出一种真正的二维混合物。

根据该研究的第一作者 Sathvik Ajay Iyengar 的说法：“各层之间不仅仅是相互叠加——电子会移动并形成新的相互作用和振动状态，从而产生任何一种材料本身都不具备的特性。”

在这项研究中，研究人员开发了一种两步单反应法，利用一种同时含有碳和硅的液态化学前体来生长石墨烯。通过调节加热过程中的氧气含量，他们首先生长石墨烯，然后改变生长条件，使其有利于二氧化硅层的形成。

值得注意的是，该方法可应用于各种二维材料，为开发用于下一代电子和量子设备的定制二维材料打开了大门。

韩国科学家还利用二维半导体材料发现了一种新的量子态，可以为更稳定的量子计算机提供动力。这种新发现的量子态还可以被应用于二维半导体芯片，从而更可靠地控制量子信息。

一段时间以来，微小材料一直引领着量子计算的重大进步，而大邱庆北科学技术研究院 (DGIST) 的最新研究为新型可重构数据存储设备开辟了道路。

DGIST 的 Jaedong Lee表示，“我们发现了一种新的量子态，称为激子-弗洛凯合成态，并提出了一种新颖的量子纠缠和量子信息提取机制。这有望推动二维半导体量子信息技术的研究。”

与此同时，去年，维尔茨堡大学和德累斯顿工业大学的科学家开发了一种二维量子材料的保护涂层，以保护它们免受环境影响，同时又不损害其革命性的特性。

科学家们此前发现，极薄的量子半导体需要复杂的真空设备和特定的基底材料。在电子元件中使用二维材料意味着需要将其从真空环境中移除，但即使短暂暴露在空气中也会导致氧化并破坏其性能，“使其变得毫无用处”。

因此，该团队继续寻找一种方法，利用保护涂层保护敏感层免受环境因素的影响。两年后，他们终于成功了。该团队使用先进的超高真空设备，对碳化硅作为茚烯的基底进行了加热实验。

该团队认为，这将为涉及极其敏感的半导体原子层的应用铺平道路。目前，该团队正在寻找更多范德华材料作为保护层。

通过完全使用原子薄的二维材料构建世界上第一台可运行的 CMOD 计算机，研究人员不仅挑战了硅在电子领域的长期主导地位，而且还为现有的电子设备更小、更快、更好的问题提出了解决方案。

该团队制造的 2,000 多个晶体管能够在计算机上执行逻辑运算，从而无需使用传统的硅。尽管仍处于起步阶段，但这一突破预示着一个令人兴奋的未来：由厚度仅为一个原子的材料驱动的高性能、更节能、更纤薄的电子产品将成为新的现实。

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