【中國(guó)傳動(dòng)網(wǎng) 行業(yè)動(dòng)態(tài)】 近年來(lái)，二維半導(dǎo)體的應(yīng)用研究獲得了蓬勃發(fā)展，它是最有可能替代硅基材料的新一代半導(dǎo)體。同時(shí)，我們也認(rèn)識(shí)到，二維半導(dǎo)體距離產(chǎn)業(yè)化還有相當(dāng)長(zhǎng)的一段路程，在當(dāng)前的技術(shù)路徑中仍然存在著一些難以克服瓶頸問(wèn)題。本文梳理了二維半導(dǎo)體的發(fā)展過(guò)程，總結(jié)了其在產(chǎn)業(yè)化的過(guò)程中面臨的挑戰(zhàn)，并對(duì)該材料的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用進(jìn)行了討論。

一、二維半導(dǎo)體的研究獲得了蓬勃發(fā)展

2004年，兩位俄裔英國(guó)科學(xué)家（安德烈?海姆和康斯坦丁?諾沃肖洛夫）成功得到了單層石墨烯。石墨烯具有機(jī)械強(qiáng)度高、導(dǎo)熱系數(shù)高、高遷移率、超薄透明、柔性可卷曲等優(yōu)點(diǎn)，這一發(fā)現(xiàn)掀起了人們對(duì)二維材料研究的熱情。尤其在半導(dǎo)體領(lǐng)域，我們希望利用這一新型的二維結(jié)構(gòu)，開(kāi)發(fā)出更豐富的應(yīng)用場(chǎng)景，同時(shí)給行將終結(jié)的摩爾定律注入新的希望。

由于大面積的石墨烯帶隙為零，并不是半導(dǎo)體，在大規(guī)模集成電路中，石墨烯并不是一種理想材料。我們希望找到一種具有類(lèi)石墨烯結(jié)構(gòu)的、具有合適帶隙的二維半導(dǎo)體材料。經(jīng)過(guò)多年的研究積累，研究者們發(fā)現(xiàn)了數(shù)十種二維半導(dǎo)體材料，其中具有代表性的有：過(guò)渡金屬硫族化合物、黑磷、硅烯、鍺烯、納米帶石墨烯，以及少量的鎵、鉛、鉍的硫族化合物等。下圖整理了常見(jiàn)的二維半導(dǎo)體材料。圖中由箭頭連接的兩類(lèi)元素可以構(gòu)成二維半導(dǎo)體化合物，沒(méi)有箭頭連接的元素則是單晶二維半導(dǎo)體。此外，氮化硼（BN）并不是半導(dǎo)體，但它是一種非常重要的二維絕緣體材料，在二維半導(dǎo)體的研究中扮演著十分重要的角色。

二、基于二維半導(dǎo)體材料的基礎(chǔ)研究已趨近完善

近年來(lái)，隨著眾多研究者投入二維半導(dǎo)體這一領(lǐng)域，二維半導(dǎo)體材料的眾多性質(zhì)已經(jīng)基本被掌握，數(shù)十萬(wàn)計(jì)的研究成果被發(fā)表，人們對(duì)二維半導(dǎo)體的合成、摻雜、能帶結(jié)構(gòu)、晶格結(jié)構(gòu)、界面效應(yīng)、光電特性等一系列物理化學(xué)效應(yīng)的研究已日趨完善。在此基礎(chǔ)上，研究者們開(kāi)發(fā)了多種基于二維半導(dǎo)體的應(yīng)用器件/電路：如單個(gè)的NMOS/PMOS器件\反相器、SRAM、NCFET、納米器件、光電探測(cè)器、生物傳感器、存儲(chǔ)器、柔性電路、小型集成電路等。

在眾多應(yīng)用場(chǎng)景中，二維半導(dǎo)體都有不俗的表現(xiàn)，展現(xiàn)了其作為硅基材料的有力替代者的潛力。采用二維半導(dǎo)體的場(chǎng)效應(yīng)晶體管，有望將其溝道長(zhǎng)度縮小至2nm。此外，二維半導(dǎo)體在異質(zhì)集成、三維集成等領(lǐng)域也具有較好的發(fā)展前景。斯坦福大學(xué)的研究小組基于碳納米管和二維半導(dǎo)體材料已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了一種新型的三維集成技術(shù)：N3XT，并成功制備出了電路樣品。

三、二維半導(dǎo)體的瓶頸

我們看到，二維半導(dǎo)體在多種應(yīng)用場(chǎng)景中表現(xiàn)出了巨大的發(fā)展?jié)摿?。但二維半導(dǎo)體距離實(shí)際應(yīng)用還存在著相當(dāng)長(zhǎng)的一段距離。在當(dāng)前的技術(shù)路徑中，還存在著一些瓶頸問(wèn)題，我們對(duì)這些問(wèn)題進(jìn)行了梳理：

1、二維半導(dǎo)體材料單晶薄膜難以大面積制備。集成電路的襯底一般是具有相當(dāng)面積的半導(dǎo)體單晶。在二維半導(dǎo)體的制備過(guò)程中，一般通過(guò)CVD、ALD等設(shè)備沉積大面積二維半導(dǎo)體薄膜，薄膜的形成一般通過(guò)成核生長(zhǎng)、形成島狀薄膜、薄膜的拼合來(lái)完成的。在成膜過(guò)程中，島狀薄膜的晶向是難以控制的，因而薄膜拼合時(shí)，會(huì)形成大量的晶界（即缺陷）；此外，由于襯底上各點(diǎn)的成膜速率不同，操作者難以精確控制二維半導(dǎo)體的層數(shù)，而層數(shù)的不同會(huì)顯著影響薄層二維半導(dǎo)體的電學(xué)性能。

2.二維半導(dǎo)體材料容易剝離。二維半導(dǎo)體材料的層間結(jié)合是通過(guò)范德瓦爾斯力完成的，這使得二維材料易于剝離、分層。同時(shí)，在二維半導(dǎo)體的流片過(guò)程中，受到超聲、沖洗、熱應(yīng)力釋放等作用的影響，其相應(yīng)器件也容易剝離掉，這給大規(guī)模集成電路的制造、電路的穩(wěn)定性帶來(lái)了極大挑戰(zhàn)。

3.二維半導(dǎo)體材料的界面干擾問(wèn)題。二維半導(dǎo)體具有獨(dú)立的二維結(jié)構(gòu)，不與相鄰材料形成化學(xué)鍵。在器件制備過(guò)程中，難以穩(wěn)定地控制金屬/半導(dǎo)體的接觸電阻；難以在較大面積的集成電路中，保證一定水平的缺陷/界面態(tài)濃度。因而難以獲得均一的器件電學(xué)特性，也就難以保證集成電路的工作性能。我們注意到，已經(jīng)有部分研究者提出了較好的解決方案，如湖南大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)氮化硼插層構(gòu)建載流子隧穿結(jié)，并得到了較低的接觸電阻。

四、二維半導(dǎo)體離產(chǎn)業(yè)化還有多遠(yuǎn)？

毫無(wú)疑問(wèn)，二維半導(dǎo)體是具備產(chǎn)業(yè)化潛力的，但要在傳感器、集成電路等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)二維半導(dǎo)體的產(chǎn)業(yè)化，至少還需要以下條件的支持：

1.顛覆性的工藝技術(shù)。當(dāng)前的二維半導(dǎo)體研究，基本借鑒了硅工藝中常用的技術(shù)手段。考慮到二維半導(dǎo)體獨(dú)特的物理結(jié)構(gòu)，有必要針對(duì)性地開(kāi)發(fā)新的工藝技術(shù)，突破二維半導(dǎo)體的制備、流片過(guò)程中存在的一系列技術(shù)瓶頸，根本性地解決二維半導(dǎo)體器件/電路的可靠性問(wèn)題。

2.形成通用的工藝標(biāo)準(zhǔn)，可靠的IP模組。當(dāng)前的二維半導(dǎo)體仍處于基礎(chǔ)研究階段，沒(méi)有統(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，魚(yú)龍混雜。對(duì)于現(xiàn)有的器件模組，難以轉(zhuǎn)移到標(biāo)準(zhǔn)的工藝產(chǎn)線上來(lái)。我們必須將二維半導(dǎo)體工藝中特殊的工藝參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)化，否則難以確保二維半導(dǎo)體模塊的工藝良率，也就無(wú)法大規(guī)模量產(chǎn)。

3.科研工作者與產(chǎn)業(yè)界的緊密合作。要將實(shí)驗(yàn)室中已有的理論成果轉(zhuǎn)移到產(chǎn)業(yè)界，科研工作者與產(chǎn)線工程師必須進(jìn)行緊密的技術(shù)合作。一個(gè)良好的中試平臺(tái)，將極大地促進(jìn)二維半導(dǎo)體技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的形成，同時(shí)也會(huì)更加全面地評(píng)估二維半導(dǎo)體產(chǎn)品的成本、性能和市場(chǎng)規(guī)模，為后期產(chǎn)業(yè)化做好必要準(zhǔn)備。

可以預(yù)見(jiàn)，起碼在近十年中，二維半導(dǎo)體材料還不具備大規(guī)模取代硅基材料的能力。我們難以斷定二維半導(dǎo)體是否會(huì)勝出。但與此同時(shí)，我們也應(yīng)該注意到，顛覆性技術(shù)的出現(xiàn)往往會(huì)重新書(shū)寫(xiě)整個(gè)半導(dǎo)體領(lǐng)域的格局。要知道，世界上第一個(gè)晶體管并不是硅基的，而是在鍺襯底上實(shí)現(xiàn)的；在數(shù)十年前MOS技術(shù)沒(méi)有成熟的時(shí)候，BJT才是集成電路的主角。