二維半導(dǎo)體作為集成電路亞1nm節(jié)點的變革性技術(shù)之一，正處于從實驗室研究到工業(yè)制造生產(chǎn)過渡的關(guān)鍵臨界時間點。因此，目前亟需設(shè)定符合半導(dǎo)體行業(yè)要求的標(biāo)準(zhǔn)，并建立與標(biāo)準(zhǔn)晶圓廠制造工藝兼容的二維晶體管架構(gòu)以及芯片集成策略，為二維電子技術(shù)邁向芯片產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用提供指導(dǎo)。
近日，北京大學(xué)電子學(xué)院彭練矛院士與麻省理工學(xué)院電子工程與計算機科學(xué)系孔敬教授（Prof. Jing Kong）/姜建峰博士應(yīng)邀對二維電子學(xué)從實驗室到工業(yè)化生產(chǎn)（Lab-to-Fab）的發(fā)展進行論述和展望，相關(guān)成果以題為“Towards fab-compatible two-dimensional electronics”的文章，于2025年1月2日在線發(fā)表于電子學(xué)頂級期刊《Nature Reviews Electrical Engineering》。電子學(xué)院畢業(yè)生、麻省理工學(xué)院博士后姜建峰博士為第一作者，電子學(xué)院吳朋研究員為第二作者，電子學(xué)院博士研究生劉一凡為第三作者，彭練矛院士、孔敬教授和姜建峰博士為通訊作者。
圖1. Nature Reviews Electrical Engineering官網(wǎng)截圖
以集成電路芯片為核心的現(xiàn)代信息處理和人工智能對計算能力的需求愈發(fā)迫切，隨著晶體管小型化的繼續(xù)和超大規(guī)模集成電路（VLSI）的發(fā)展，系統(tǒng)級芯片需要將各種功能—邏輯計算、存儲、傳感、顯示與模擬射頻通信等模塊通過三維先進堆疊的方式集成到一個平臺上，以提供現(xiàn)代信息應(yīng)用所需的多功能靈活性。然而，國際半導(dǎo)體技術(shù)路線圖預(yù)測硅基互補金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）技術(shù)接近其物理極限。二維半導(dǎo)體技術(shù)已經(jīng)被證實在性能和能效方面具有超越硅基的巨大潛力（Nature, 616, 470-475, 2023），受到了全球領(lǐng)先的半導(dǎo)體芯片制造公司英特爾、臺積電、三星、歐洲微電子中心等的高度關(guān)注。此外，由于具有更豐富的材料選擇（可面向溝道，電極，介質(zhì)層，通孔材料，間隔層，阻擋層等）、更低的工作電壓和更低的加工熱預(yù)算等顯著優(yōu)勢，將二維技術(shù)應(yīng)用于先進的單片三維集成架構(gòu)中有望實現(xiàn)突破，在器件尺寸、系統(tǒng)能效和整體性能上帶來革命性的發(fā)展。因此，開發(fā)與晶圓廠標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體制造工藝兼容的先進二維晶體管架構(gòu)和三維芯片集成策略，并建立符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的基準(zhǔn)，是將二維電子學(xué)從實驗室研究推向工業(yè)應(yīng)用的關(guān)鍵先決條件。
實驗室對于二維原型器件的研究通常聚焦于解決孤立的科學(xué)挑戰(zhàn)和單一性能參數(shù)的優(yōu)化，而商用芯片對晶體管的具有更加嚴(yán)格的要求，需要在多個關(guān)鍵領(lǐng)域進行協(xié)同優(yōu)化。在本文中，本文重點討論了感存算一體、數(shù)模混合的單片三維集成架構(gòu)的全二維半導(dǎo)體系統(tǒng)級芯片在晶體管方面的關(guān)鍵技術(shù)需求，在面向大規(guī)模集成電路的溝道材料要求、延伸區(qū)策略、接觸工程、柵極堆疊技術(shù)這四個核心方面進行深入論述，設(shè)定滿足VLSI要求的標(biāo)準(zhǔn)，并提出了晶圓廠兼容的多橋通道二維晶體管的加工流程和范式，為二維電子學(xué)的工業(yè)化道路提供可行的參考。
圖2.與標(biāo)準(zhǔn)晶圓廠半導(dǎo)體制造兼容的三維多橋通道二維半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管的工藝流程圖以及感存算一體、數(shù)?；旌系娜S集成架構(gòu)的全二維半導(dǎo)體系統(tǒng)級芯片的示意圖
這項工作在材料-工藝-器件-系統(tǒng)四個方面為二維電子學(xué)從實驗室研究到工業(yè)的生產(chǎn)制造進行論述和展望，為接下來二維技術(shù)邁向半導(dǎo)體試線的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展提供了重要指導(dǎo)。
作者簡介：
姜建峰博士現(xiàn)為麻省理工學(xué)院博士后研究員，電子學(xué)院畢業(yè)生，理學(xué)博士。面向亞1nm節(jié)點集成電路芯片，致力于開發(fā)后摩爾新型電子技術(shù)。以第一作者身份在Nature, Nature Electronics, Nature Materials, Nature Reviews Electrical Engineering等國際頂級期刊發(fā)表論文11篇（含正刊一篇，子刊四篇），目前以通訊作者身份審稿/返修于正刊與子刊各一篇，以通訊作者身份受邀在Nature Reviews撰寫專用集成電路芯片技術(shù)長篇綜述（準(zhǔn)備中）。一作系列研究獲評“中國十大科技進展新聞”（中國兩院評），“中國高等學(xué)校十大科技進展”（國家教育部評），“中國半導(dǎo)體十大研究進展”，“中國重大技術(shù)進展”，“中國芯片科學(xué)十大進展”。相關(guān)成果被Intel，臺積電，IMEC等全球領(lǐng)先的半導(dǎo)體芯片制造公司在國際集成電路和電子器件大會VLSI和IEDM中列為年度芯片器件重大進展，并被Nature Electronics進行專題報道。擔(dān)任Nature系列綜述和多個子刊獨立審稿人，北京大學(xué)學(xué)生最高榮譽“學(xué)生五·四獎?wù)隆鲍@得者（電子學(xué)院首位），北京大學(xué)電子學(xué)院首屆“學(xué)術(shù)十杰”，曾獲國家獎學(xué)金，北京大學(xué)校長獎學(xué)金，北京大學(xué)優(yōu)秀博士學(xué)位論文等。
文章來源：北京大學(xué)
