（文/姜羽桐）隨著芯片制程逼近原子尺度，誕生整整60年的“摩爾定律”面臨物理極限，甚至連英偉達(dá)（Nvidia）首席執(zhí)行官黃仁勛都公開(kāi)表示“摩爾定律已死”。事實(shí)上，隨著硅基半導(dǎo)體制程的結(jié)構(gòu)越來(lái)越復(fù)雜，成本越來(lái)越高，硅基先進(jìn)制程的投入產(chǎn)出比越來(lái)越小。而使用非硅材料來(lái)制造更小更低功耗的晶體管，成為不得不提前考慮的事情。

在此背景下，二維材料成為延續(xù)“摩爾定律”的未來(lái)希望，各國(guó)科學(xué)家為此孜孜以求，力圖找到二維材料落地的究極密鑰。近年來(lái)，學(xué)術(shù)界屢有科研新突破，不斷提振產(chǎn)業(yè)界信心。但最令人關(guān)心的還是，我們距離二維半導(dǎo)體材料實(shí)現(xiàn)規(guī)?；虡I(yè)應(yīng)用還有多遠(yuǎn)？

石墨烯，首個(gè)二維材料誕生

英國(guó)曼徹斯特大學(xué)物理學(xué)家安德烈·蓋姆（Andre Geim）有一個(gè)癖好，他喜歡在周五下午召集實(shí)驗(yàn)室同仁，詢問(wèn)眾人的奇思妙想。于是有人提議，能否將青蛙懸浮起來(lái)？不久，安德烈·蓋姆通過(guò)磁懸浮技術(shù)克服重力作用，讓一只青蛙懸浮在半空中，并推論使用類似的方法可以讓人克服重力作用漂浮起來(lái)，憑此在2000年獲得“搞笑諾貝爾獎(jiǎng)”物理學(xué)獎(jiǎng)（又稱伊格諾貝爾獎(jiǎng)）。

有趣的是，2004年，蓋姆和同事諾沃肖洛夫（Konstantin Novoselov ）通過(guò)“撕膠帶”的方式獲得了單層石墨結(jié)構(gòu)，即使用普通膠帶用純石墨剝離石墨烯層，直到只剩下一層石墨烯。在將膠帶組件溶解在丙酮中并干燥后，就可以在顯微鏡下觀察到石墨烯——這種二維材料薄到了任何材料能達(dá)到的極限，只有一個(gè)原子厚；2010年，兩人因“利用膠帶成功地從石墨中剝離出石墨烯”而獲得了真正的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)！

圖/存放于瑞典諾貝爾博物館的石墨、石墨烯電晶體、膠帶，膠帶上有蓋姆簽名

作為首個(gè)被發(fā)現(xiàn)的二維材料，厚度僅0.335納米的石墨烯，被認(rèn)為是最具潛力的半導(dǎo)體替代材料，擁有極其優(yōu)異的物理性質(zhì)，如高強(qiáng)度、高導(dǎo)電性、高導(dǎo)熱性等，科學(xué)界期望利用它制備新一代的半導(dǎo)體器件，是下一代“碳基半導(dǎo)體”強(qiáng)有力的候選人。之前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預(yù)期將有較大提升。比如，硅基芯片制程從7納米推進(jìn)至5納米，芯片速度將有20%的提升；而7納米制程的石墨烯芯片相比7納米制程的硅基芯片，速度提升高達(dá)300%——前提是能夠在石墨烯的能帶里打開(kāi)一個(gè)“空隙”。

但很可惜，石墨烯天然是一個(gè)半金屬的材料，它的能帶中沒(méi)有空隙（半導(dǎo)體的能帶都會(huì)有這樣一個(gè)“空隙”，或者學(xué)名叫“帶隙”），無(wú)法達(dá)到理想半導(dǎo)體電流關(guān)閉的狀態(tài)，難以被制成像晶體管一樣的電子開(kāi)關(guān)元件。因此，盡管蓋姆團(tuán)隊(duì)制備出了石墨烯，但他仍然在2007年的一篇關(guān)于石墨烯的評(píng)論文章中流露出悲觀情緒。他在當(dāng)時(shí)提出，就學(xué)術(shù)研究而言，這些材料（用來(lái)制作邏輯電路的道路）基本上都是“死的”，因?yàn)槲覀儙缀跻呀?jīng)了解了其所有特性。的確如此。石墨烯誕生后的很長(zhǎng)一段時(shí)間里，都未能在半導(dǎo)體領(lǐng)域找到“用武之地”。甚至連二維材料也是如此，最大的進(jìn)步就是發(fā)現(xiàn)了越來(lái)越多的材料種類，僅此而已。

直到20年后——2024年，中國(guó)天津大學(xué)和美國(guó)佐治亞理工學(xué)院科研人員組成的研究團(tuán)隊(duì)，使用特殊熔爐在碳化硅晶圓上的生長(zhǎng)方法，取得重大突破，生產(chǎn)出了外延半導(dǎo)體石墨烯單層。研究發(fā)現(xiàn)，如果制造得當(dāng)，外延石墨烯會(huì)與碳化硅發(fā)生化學(xué)鍵合，并表現(xiàn)出半導(dǎo)體特性，這成功攻克了長(zhǎng)期以來(lái)阻礙石墨烯電子學(xué)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)難題，打開(kāi)了石墨烯帶隙，實(shí)現(xiàn)了從“0”到“1”的突破。相關(guān)論文發(fā)表在《Nature》上。所以，石墨烯也就有了“新生”。

“材料科學(xué)革命”，龐大的2D家族

在介紹二維（2D）材料前，首先要回答“為什么先進(jìn)制程芯片進(jìn)入1納米以下，硅材料就不好使了”？隨著半導(dǎo)體材料工藝的推進(jìn)，更小的器件需要更薄的材料，而材料的厚度有一個(gè)物理極限——單原子層。像硅這樣有三維晶體結(jié)構(gòu)的材料被稱為三維材料，三維材料的特性決定了當(dāng)硅薄到單層或若干層材料時(shí)，表面的硅層必須與其他原子成鍵。例如硅與氧原子成鍵之后，硅就變成了氧化硅，從而失去了硅特有的半導(dǎo)體特性。

二維材料不存在這個(gè)問(wèn)題，它在“薄”的層面可謂登峰造極。在數(shù)學(xué)或幾何概念里，二維空間往往由長(zhǎng)度、寬度兩個(gè)要素構(gòu)成，其厚度為零。但與常識(shí)相反，這里討論的二維材料并非指其完全沒(méi)有厚度，而是在長(zhǎng)、寬、高至少一個(gè)維度上的尺度達(dá)到原子級(jí)尺度（幾個(gè)納米或者小于1納米）級(jí)別。而且，二維材料在厚度只有一個(gè)或者幾個(gè)原子的時(shí)候，表面都是飽和健，也就是有著“原子級(jí)拋光”的完美界面。

那么，二維半導(dǎo)體的究極優(yōu)勢(shì)是什么？隨著芯片中的晶體管尺寸縮小至納米級(jí)（如3nm、2nm），半導(dǎo)體材料面臨如何“控制漏電”的關(guān)鍵問(wèn)題。目前FinFET（鰭型柵），GAA（環(huán)柵）等先進(jìn)制程的結(jié)構(gòu)，就是為了把電子/空穴強(qiáng)制在很窄的范圍（幾個(gè)納米）內(nèi)運(yùn)動(dòng)，來(lái)增加?xùn)烹姌O的控制能力，卻不可避免造成了工藝的極度復(fù)雜，而且電子/空穴在硅這種三維材料做成的類二維平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)，受到很多干擾，速度大大降低，以至于現(xiàn)在繼續(xù)沿著“摩爾定律”進(jìn)行微縮的性價(jià)比越來(lái)越低。

復(fù)旦大學(xué)研究員、原集微科技創(chuàng)始人包文中介紹，二維半導(dǎo)體由于只有“原子級(jí)厚度”，只要做一個(gè)簡(jiǎn)單的頂柵電極，二維溝道的每一處都可以被柵電極良好地控制，從而杜絕了漏電，其完美的無(wú)懸掛鍵界面也為電子和空穴的移動(dòng)提供了一條二維“高速公路”，大大降低功耗。而從制造工藝而言，這垂直方向上的“原子級(jí)厚度”，省去了人類千方百計(jì)才實(shí)現(xiàn)的Fin或者GAA結(jié)構(gòu)。所以二維半導(dǎo)體二維平面內(nèi)就能以較低的加工難度，實(shí)現(xiàn)與硅基先進(jìn)制程類似的器件性能，這意味著工藝步驟也大幅精簡(jiǎn)，制造成本也獲得了數(shù)量級(jí)降低。此外，二維半導(dǎo)體的物理能帶特性還使其具有比硅基材料更好的微縮潛力。

正是基于諸多優(yōu)勢(shì)，從石墨烯被發(fā)現(xiàn)開(kāi)始，二維材料已逐漸成為一個(gè)成員眾多、類別多樣的龐大家族。蓋姆曾透露，“在制備出石墨烯之后不久（2005年），我們也找到了十幾種其他二維材料，同樣只有一個(gè)原子或一個(gè)分子厚。從那時(shí)起，到現(xiàn)在已經(jīng)找到了數(shù)百種二維材料。就材料科學(xué)而言，本質(zhì)上發(fā)生了一場(chǎng)革命：不是一個(gè)，不是少數(shù)，而是一類全新的材料被發(fā)現(xiàn)了?！?/span>

圖/一些典型的二維材料的晶體結(jié)構(gòu)和性質(zhì)

除石墨烯外的二維材料還包括：?jiǎn)卧氐墓柘?、鍺烯、錫烯、硼烯和黑磷等，過(guò)渡金屬硫族化合物如MoS2、WSe2、ReS2、PtSe2、NbSe2等，主族金屬硫族化合物如GaS、InSe、SnS、SnS2等，以及其他二維材料如h-BN、CrI3、NiPS3、Bi2O2Se等。上述二維材料具有完全不同的能帶結(jié)構(gòu)以及電學(xué)性質(zhì)，覆蓋從超導(dǎo)體、金屬、半金屬、半導(dǎo)體到絕緣體等材料類型，同時(shí)也具有優(yōu)異的光學(xué)、力學(xué)、熱學(xué)、磁學(xué)等性質(zhì)。

從實(shí)驗(yàn)室走向市場(chǎng)，道阻且長(zhǎng)

但并不是所有的二維材料都適用于半導(dǎo)體。為了達(dá)成電晶體有效開(kāi)關(guān)電流的目的，二維材料的研究重心逐漸從沒(méi)有能隙（band gap）的半金屬石墨烯，轉(zhuǎn)移至具有能隙的半導(dǎo)體二維材料，例如二硫化鉬（MoS2）、二硫化鎢（WS2）等。

圖/“無(wú)極（WUJI）”研究成果發(fā)表于《Nature》

據(jù)悉，復(fù)旦大學(xué)、紹芯實(shí)驗(yàn)室的周鵬、包文中團(tuán)隊(duì)日前成功研制的全球首款基于二維半導(dǎo)體材料的32位RISC-V架構(gòu)微處理器“無(wú)極”，就是基于單層二硫化鉬二維半導(dǎo)體材料打造的，實(shí)現(xiàn)從材料、架構(gòu)到流片的全鏈條自主研發(fā)，其集成工藝優(yōu)化程度和規(guī)模化電路驗(yàn)證結(jié)果，均達(dá)到國(guó)際同期最優(yōu)水平。其團(tuán)隊(duì)強(qiáng)調(diào)，“無(wú)極”只是概念驗(yàn)證原型，整體性能和目前商用的芯片仍存在一定距離，目前并不具備市場(chǎng)優(yōu)勢(shì)。

周鵬教授介紹，自2010年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)?lì)C發(fā)給石墨烯相關(guān)研究以來(lái)，二維材料領(lǐng)域的研究取得了一系列成果和肯定。譬如，歐洲微電子中心（IMEC）已明確二維半導(dǎo)體為1納米及以下節(jié)點(diǎn)的重要材料體系；國(guó)際集成電路峰會(huì)在2022年6月提出，二維半導(dǎo)體是目前業(yè)界唯一公認(rèn)能夠延續(xù)摩爾定律的材料。此外，臺(tái)積電、三星、阿斯麥（ASML）等企業(yè)和機(jī)構(gòu)開(kāi)始著力研發(fā)二維半導(dǎo)體作為3~5納米節(jié)點(diǎn)以后硅的替代方案。

在學(xué)術(shù)界，二維半導(dǎo)體的開(kāi)發(fā)取得重大進(jìn)展，包括晶圓級(jí)生長(zhǎng)、能帶結(jié)構(gòu)工程和器件優(yōu)化。尤其晶圓級(jí)二維材料的生長(zhǎng)研究，南京大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院物理研究所、北京大學(xué)和復(fù)旦大學(xué)的團(tuán)隊(duì)均在該領(lǐng)域有可喜進(jìn)展，已經(jīng)站在了世界的前列。

利用二維材料制作電子器件方面，清華大學(xué)團(tuán)隊(duì)已實(shí)現(xiàn)0.34納米物理柵長(zhǎng)下的二維材料晶體管，北京大學(xué)團(tuán)隊(duì)也研制出速度超越硅極限的二維材料晶體管；基于二維半導(dǎo)體集成工藝，目前研究者已可以實(shí)現(xiàn)大部分硅基電路功能，下一步目標(biāo)是利用二維半導(dǎo)體的特性，進(jìn)一步提高芯片的整體性能。

“對(duì)二維半導(dǎo)體的預(yù)期不妨寬容些?！卑闹姓J(rèn)為，硅基半導(dǎo)體從20世紀(jì)中期到現(xiàn)在，全世界投入海量資源研發(fā)，而硅基集成電路在誕生初期也面臨諸多質(zhì)疑與挑戰(zhàn)，回望1958年第一塊硅集成電路問(wèn)世時(shí)，業(yè)界同樣提出“可靠性存疑”“成本過(guò)高”“性能不如分立器件”等尖銳批評(píng)。這些情況同樣也發(fā)生在其他新材料上，譬如OLED、氧化物半導(dǎo)體、三代半導(dǎo)體（GaN、SiC）等等。今天，二維半導(dǎo)體正站在相似的轉(zhuǎn)折點(diǎn)上?；仡櫄v史，每一種新材料都會(huì)從科研階段過(guò)渡到工業(yè)界接手，進(jìn)行工程化量產(chǎn)。二維半導(dǎo)體發(fā)展了十多年，學(xué)術(shù)界和工業(yè)界已到了認(rèn)真考慮如何攜手將二維半導(dǎo)體實(shí)現(xiàn)真正工程化應(yīng)用的時(shí)候。

盡管科學(xué)家們付出了巨大努力，但二維材料何時(shí)能在半導(dǎo)體領(lǐng)域大放異彩，還是一件不可知的事情，要使整個(gè)半導(dǎo)體行業(yè)采用這種新材料無(wú)疑是一個(gè)漫長(zhǎng)的過(guò)程，二維半導(dǎo)體對(duì)硅材料“取而代之”尚不可想象。即便到了今天，二維材料還只能在實(shí)驗(yàn)室中小批量生產(chǎn)，其走向工業(yè)化的道路仍然十分曲折，且存在諸多難點(diǎn)。包文中強(qiáng)調(diào)：“真正限制二維材料發(fā)展的不是器件性能，很多實(shí)驗(yàn)室發(fā)表的二維器件性能結(jié)果都非常好。但為什么產(chǎn)業(yè)界始終質(zhì)疑二維材料的實(shí)用性，還是因?yàn)槿狈陕涞?、可?guī)?；⑴c產(chǎn)業(yè)兼容的集成技術(shù)體系。”

就“二維半導(dǎo)體材料實(shí)現(xiàn)規(guī)?；虡I(yè)應(yīng)用還有多遠(yuǎn)”這一問(wèn)題，包文中給出了時(shí)間表——近期（1～2年）實(shí)現(xiàn)符合半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的二維小試工藝線驗(yàn)證（亞微米尺度溝道，NMOS）；中期（3～5年）實(shí)現(xiàn)8英寸二維中試工藝線驗(yàn)證（100納米尺度溝道，CMOS，三維堆疊），百萬(wàn)門級(jí)芯片的可靠性驗(yàn)證；遠(yuǎn)期（5年以后）12英寸的二維材料小批量量產(chǎn)工藝線投入生產(chǎn)，在低功耗、抗輻射、柔性可穿戴等應(yīng)用場(chǎng)景真正落地。

參考文章

《二維材料的新機(jī)遇》，作者張遠(yuǎn)波、阮威等。

《二維材料研究現(xiàn)狀及展望》，作者梁濤，徐明生。