本文由半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)縱橫（ID：ICVIEWS）編譯自ieeespectrum

二維半導(dǎo)體材料的研究和應(yīng)用正處于快速發(fā)展階段。

英特爾、三星和臺積電等芯片制造巨頭預(yù)見到未來硅晶體管的關(guān)鍵部件將被厚度僅為幾個原子的半導(dǎo)體所取代。盡管他們已經(jīng)報(bào)告了朝著這一目標(biāo)取得的進(jìn)展，但普遍認(rèn)為這一未來還需要十多年的時(shí)間。如今，一家從麻省理工學(xué)院分離出來的初創(chuàng)公司聲稱已經(jīng)破解了制造商業(yè)規(guī)模二維半導(dǎo)體的密碼，并預(yù)計(jì)芯片制造商將在原有時(shí)間的一半內(nèi)將其集成到先進(jìn)的芯片中。

CDimension開發(fā)了一種在硅上生長二硫化鉬（MoS2）——一種二維半導(dǎo)體的工藝，該工藝溫度足夠低，不會損壞底層硅電路。這有望在現(xiàn)有硅電路上方集成多層二維晶體管，并最終實(shí)現(xiàn)由二維器件制成的多層3D芯片。

“很多人認(rèn)為二維半導(dǎo)體仍處于實(shí)驗(yàn)室階段，”CDimension首席執(zhí)行官兼聯(lián)合創(chuàng)始人JiadiZhu表示?！暗獵Dimension擁有專為二維材料生長設(shè)計(jì)的專有工具……而且我們已經(jīng)解決了許多關(guān)鍵的（二維材料）問題，包括晶圓級均勻性、器件性能和變化、器件可靠性以及與硅制造工藝的兼容性?！彼硎?，總而言之，二維半導(dǎo)體已準(zhǔn)備好進(jìn)入工業(yè)化發(fā)展階段。

CDimension的許多計(jì)劃都取決于一種專有工藝，它使用這種工藝在僅約200°C的溫度下在硅和其他基板上在整個300毫米晶圓上生長單層MoS2。2D材料通過化學(xué)氣相沉積形成，其中蒸發(fā)的前體化學(xué)物質(zhì)在表面發(fā)生反應(yīng)以覆蓋表面。但通常制造2D材料的反應(yīng)需要高達(dá)1000°C的溫度。這個溫度太高了，會損壞制造晶體管所需的任何底層結(jié)構(gòu)。如今，研究人員通過單獨(dú)沉積2D半導(dǎo)體然后將其精確地轉(zhuǎn)移到硅晶片上來解決這個問題。但CDimension的系統(tǒng)可以直接在硅晶片上生長材料而不會造成損壞。

2D半導(dǎo)體業(yè)務(wù)

這家初創(chuàng)公司目前的部分業(yè)務(wù)是運(yùn)送生長有二維材料的硅晶圓，以便客戶對其進(jìn)行評估并構(gòu)建器件。或者，客戶可以發(fā)送已經(jīng)加工好的晶圓，使其上帶有硅電路或結(jié)構(gòu)。CDimension隨后可以在晶圓上生長二硫化鉬或其他二維材料，并將其送回給客戶，這樣客戶就可以將一層二維器件與硅電路集成在一起。

后者可能是二維半導(dǎo)體的首個工業(yè)化應(yīng)用?！拔覀冋谡故竟杓佣S材料的可能性，”Zhu教授說。“但二維材料也可能用于高度可擴(kuò)展的邏輯器件。這可能是下一步?！?/p>

英特爾、三星和臺積電等芯片制造商在2024年12月的IEEE國際電子設(shè)備會議上報(bào)告了旨在用MoS2和其他2D半導(dǎo)體取代未來晶體管中的硅納米片的研究。在同一會議上，Zhu和他的IEEE院士TomásPalacios和JingKong麻省理工學(xué)院實(shí)驗(yàn)室的同事們證明，低溫合成可以生產(chǎn)具有多個堆疊通道的MoS2晶體管，類似于納米片晶體管。（Palacios是CDimension的戰(zhàn)略顧問。）通過縮小設(shè)備尺寸，該團(tuán)隊(duì)預(yù)測此類設(shè)備在功耗、性能和占用面積方面可以滿足甚至超越未來10A（1納米）節(jié)點(diǎn)的要求。

Zhu表示，采用二維半導(dǎo)體的一大動機(jī)是降低功耗。晶體管在開啟（動態(tài)功耗）和關(guān)閉（靜態(tài)功耗）時(shí)都會損耗功率。由于二維晶體管的厚度僅為0.6納米多一點(diǎn)，因此其工作電壓僅為當(dāng)今硅器件的一半，從而節(jié)省了動態(tài)功耗。當(dāng)它們關(guān)閉時(shí)，最需要擔(dān)心的是漏電流。但二硫化鉬的帶隙是硅的兩倍多，這意味著電荷泄漏到器件中需要更多的能量。Zhu表示，使用CDimension材料制造的器件功耗僅為硅器件的千分之一。

除了電子傳導(dǎo)（n型）半導(dǎo)體二硫化鉬（MoS2）外，這家初創(chuàng)公司還提供p型半導(dǎo)體二硒化鎢，以及二維絕緣膜，例如六方氮化硼。如果二維半導(dǎo)體想要在未來的CMOS芯片中占據(jù)主導(dǎo)地位，那么所有這些技術(shù)組合都是必需的。

二維半導(dǎo)體材料的研究和應(yīng)用正處于快速發(fā)展階段。隨著新材料的不斷發(fā)現(xiàn)和器件設(shè)計(jì)技術(shù)的不斷進(jìn)步，二維材料在信息技術(shù)、能源、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的應(yīng)用前景將更加廣闊。預(yù)計(jì)未來二維材料將與傳統(tǒng)硅基材料相互補(bǔ)充，共同推動信息技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展。

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