2D CMOS，下一個(gè)飛躍

在構(gòu)成現(xiàn)代電子技術(shù)基礎(chǔ)的半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域，硅（Si）是應(yīng)用最廣泛的材料。

硅是地球上僅次于氧的第二豐富元素，它通過微型化推動(dòng)了半導(dǎo)體技術(shù)的進(jìn)步。從微處理器到自動(dòng)化、計(jì)算機(jī)、智能手機(jī)和電動(dòng)汽車，硅通過顯著縮小設(shè)備的物理尺寸，推動(dòng)了電子技術(shù)的突破。

但現(xiàn)在，規(guī)?；瘞淼奶魬?zhàn)使得探索新材料成為必要。二維（2D）材料展現(xiàn)出在原子層面上實(shí)現(xiàn)器件性能空前提升的潛力。

二維材料是單層原子的超薄納米材料。它們具有高度的各向異性和化學(xué)功能性，其優(yōu)異的電子特性使其具有廣泛的應(yīng)用前景。石墨烯是一種流行的二維材料。

因此，二維材料憑借其原子級(jí)厚度和高載流子遷移率，提供了一種極具前景的替代方案?；谶@些材料的晶圓級(jí)生長、高性能場效應(yīng)晶體管 (FET) 和電路也取得了重大進(jìn)展。

場效應(yīng)晶體管（FET）是一種利用電場控制半導(dǎo)體電流的晶體管。FET 是現(xiàn)代電子器件中至關(guān)重要的電子元件，在高壓高頻電源電路中充當(dāng)受控開關(guān)。

盡管已經(jīng)取得了很大進(jìn)展，但實(shí)現(xiàn)互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體 (CMOS) 集成仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。 CMOS 是一種用于制造集成電路的技術(shù)，尤其適用于計(jì)算機(jī)處理器、存儲(chǔ)芯片和其他數(shù)字設(shè)備。它有助于調(diào)節(jié)流經(jīng)這些組件的電流，這對(duì)于組件的正常運(yùn)行至關(guān)重要。

值得注意的是，CMOS 以互補(bǔ)的方式使用 n 型 (NMOS) 和 p 型 (PMOS) 晶體管來實(shí)現(xiàn)邏輯功能。

N 型晶體管使用帶負(fù)電的電子作為主要電荷載流子來導(dǎo)電，并允許電流流動(dòng)。在 P 型晶體管中，大多數(shù)電荷載流子是空穴（正電荷），它們允許電流從電源流到輸出。

在 CMOS 中，金屬氧化物半導(dǎo)體是指用于構(gòu)造晶體管的材料：用于柵極的金屬、用于絕緣層的氧化物和用于通道的硅半導(dǎo)體。

CMOS 的強(qiáng)大之處在于它能夠在單個(gè)半導(dǎo)體芯片上構(gòu)建復(fù)雜的電子電路。此外，由于 CMOS 晶體管僅在狀態(tài)切換（開/關(guān)）時(shí)消耗功率，因此與其他技術(shù)相比，CMOS 晶體管的功耗更低。此外，CMOS 電路以其高可靠性而聞名。

現(xiàn)在，賓夕法尼亞州立大學(xué)的研究人員已經(jīng)克服了將 CMOS 與 2D 材料集成的挑戰(zhàn)。他們所做的是，開發(fā)了基于 CMOS 技術(shù)的二維單指令集計(jì)算機(jī)，它利用了大面積 n 型 MoS2 和 p 型 WSe2 場效應(yīng)晶體管的異質(zhì)集成。

該團(tuán)隊(duì)通過調(diào)整 n 型和 p 型 2D FET 的閾值電壓，實(shí)現(xiàn)了高驅(qū)動(dòng)電流并降低了亞閾值漏電。這是通過調(diào)整溝道長度實(shí)現(xiàn)的，為此他們采用了高 κ 柵極電介質(zhì)，并優(yōu)化了材料生長和器件后處理。

這使得電路可以在低于 3 V 的電壓下運(yùn)行，運(yùn)行頻率高達(dá) 25 kHz，并且具有皮瓦范圍內(nèi)的超低功耗和約 100 pJ 的開關(guān)能量。

二維 CMOS 計(jì)算機(jī)突破原子極限

硅是半導(dǎo)體技術(shù)的領(lǐng)先者，但與這種化學(xué)元素不同的是，單原子厚度的二維材料能夠在這種規(guī)模上保留其特性。

在「通過不斷實(shí)現(xiàn)場效應(yīng)晶體管（FET）的小型化，推動(dòng)了電子技術(shù)數(shù)十年的顯著進(jìn)步」之后，硅在進(jìn)一步制造更好、更小的設(shè)備方面面臨著重大挑戰(zhàn)。

「隨著硅器件的縮小，它們的性能開始下降，」研究負(fù)責(zé)人、賓夕法尼亞州立大學(xué)阿克利工程學(xué)教授兼工程科學(xué)與力學(xué)教授 Saptarshi Das 指出。

相比之下，二維材料即使在原子厚度下也能保持其優(yōu)異的電子特性，因此「提供了一條充滿希望的發(fā)展道路」。在這項(xiàng)開創(chuàng)性的工作中，研究團(tuán)隊(duì)利用二維材料開發(fā)了一臺(tái)能夠進(jìn)行簡單操作的計(jì)算機(jī)。

該研究發(fā)表在《自然》雜志，得到了海軍研究辦公室、陸軍研究辦公室和美國國家科學(xué)基金會(huì)的部分支持，詳細(xì)介紹了實(shí)現(xiàn)更薄、更快、更節(jié)能的電子產(chǎn)品的重大飛躍。

如上所述，他們制造出了一臺(tái)不依賴硅的 CMOS 計(jì)算機(jī)。硅是一種四價(jià)準(zhǔn)金屬，其性質(zhì)介于金屬和非金屬之間。研究人員用兩種不同的二維材料替代硅，從而開發(fā)出 CMOS 計(jì)算機(jī)中控制電流所需的兩種晶體管。

對(duì)于 n 型晶體管，他們使用了二硫化鉬 (MoS2)，這是一類二維過渡金屬二硫?qū)倩?(TMDC) 無機(jī)材料，具有低摩擦系數(shù)、優(yōu)異的熱穩(wěn)定性和高耐磨性（取決于特定條件）。

對(duì)于 p 型晶體管，使用二硒化鎢（WSe2）。這種無機(jī)化合物具有類似于二硫化鉬的六方晶體結(jié)構(gòu)，并以其獨(dú)特的電子特性而聞名，包括高載流子遷移率、相當(dāng)大的帶隙和卓越的開關(guān)比。

CMOS 技術(shù)需要 n 型半導(dǎo)體和 p 型半導(dǎo)體協(xié)同工作，才能在低功耗下實(shí)現(xiàn)高性能。然而，這一直是阻礙其超越硅技術(shù)的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。

盡管研究表明基于二維材料的小電路可以擴(kuò)展到復(fù)雜、功能性的計(jì)算機(jī)，但這一成就尚未實(shí)現(xiàn)。

據(jù)研究人員稱，這是他們工作的關(guān)鍵進(jìn)展。他們首次完全由二維材料構(gòu)建了 CMOS 計(jì)算機(jī)，結(jié)合了大面積生長的二硫化鉬和二硒化鎢晶體管。

為了制造晶體管，該團(tuán)隊(duì)使用了一種稱為金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積（MOCVD）的工藝。在此過程中，成分被蒸發(fā)，引發(fā)化學(xué)反應(yīng)，并將產(chǎn)物沉積到基底上。

該團(tuán)隊(duì)利用 MOCVD 技術(shù)生長出大片二硫化鉬和二硒化鎢，并制造了每種類型的晶體管 1,000 多個(gè)。

然后，通過對(duì)器件制造和后處理進(jìn)行仔細(xì)的改變，該團(tuán)隊(duì)能夠調(diào)整 n 型和 p 型晶體管的閾值電壓，從而開發(fā)出功能齊全的 CMOS 邏輯電路。

據(jù)該研究的第一作者、工程科學(xué)與力學(xué)博士生 Subir Ghosh 稱：「我們的 2D CMOS 計(jì)算機(jī)在低電源電壓下運(yùn)行，功耗極低，并且能夠在高達(dá) 25 千赫的頻率下執(zhí)行簡單的邏輯運(yùn)算。」

雖然與傳統(tǒng)硅 CMOS 電路相比，該工作頻率較低，但 Ghosh 指出，他們的計(jì)算機(jī)仍然能夠執(zhí)行簡單的邏輯運(yùn)算?！肝覀冞€開發(fā)了一個(gè)計(jì)算模型，該模型使用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行校準(zhǔn)，并考慮了不同設(shè)備之間的差異，用于預(yù)測我們的二維 CMOS 計(jì)算機(jī)的性能，并與最先進(jìn)的硅技術(shù)進(jìn)行對(duì)比。盡管仍有進(jìn)一步優(yōu)化的空間，但這項(xiàng)工作標(biāo)志著利用二維材料推動(dòng)電子領(lǐng)域發(fā)展的重要里程碑?！挂虼?，盡管取得了巨大成就，但這項(xiàng)工作仍未完成。需要進(jìn)行更多研究，以進(jìn)一步開發(fā)二維 CMOS 計(jì)算機(jī)方法，使其得到更廣泛的應(yīng)用。不過，Ghosh 強(qiáng)調(diào)，與硅技術(shù)的發(fā)展相比，該領(lǐng)域的進(jìn)步速度非?？臁！腹杓夹g(shù)已經(jīng)發(fā)展了大約 80 年，但對(duì)二維材料的研究相對(duì)較新，直到 2010 年左右才真正興起。我們預(yù)計(jì)二維材料計(jì)算機(jī)的發(fā)展也將是一個(gè)漸進(jìn)的過程，但與硅的發(fā)展軌跡相比，這是一個(gè)飛躍。」

利用二維材料大規(guī)模構(gòu)建微芯片

幾個(gè)月前，中國科學(xué)家也報(bào)告稱，他們利用二硫化鉬研制出了一種微芯片。該芯片集成了 5931 個(gè)晶體管，每個(gè)晶體管的厚度為三個(gè)原子。

科學(xué)家認(rèn)為，當(dāng)硅無法提供進(jìn)一步的進(jìn)步時(shí)，二硫化鉬（MoS2）可以讓摩爾定律繼續(xù)延續(xù)。

復(fù)旦大學(xué)教授包文忠表示，「盡管二維材料十多年來一直受到廣泛推崇，但其當(dāng)前發(fā)展的真正限制并不是任何單一設(shè)備的性能，因?yàn)樵S多二維電子設(shè)備在實(shí)驗(yàn)室水平上運(yùn)行良好。」

他補(bǔ)充說，由于「缺乏可擴(kuò)展、可重復(fù)且與工業(yè)流程兼容的集成技術(shù)體系」，二維材料的實(shí)用性受到質(zhì)疑。

因此，該團(tuán)隊(duì)研發(fā)了一款名為 RV32-WUJI 的新型微芯片。它擁有近 6,000 個(gè)采用傳統(tǒng) CMOS 技術(shù)制造的 MoS2 晶體管，標(biāo)志著該芯片從實(shí)驗(yàn)室研究邁向系統(tǒng)級(jí)工程應(yīng)用。

該微芯片采用 RISC-V 架構(gòu)，可執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)的 32 位指令。新處理器構(gòu)建在絕緣藍(lán)寶石基板上，該基板將晶體管彼此電子隔離。此外，還為 RV32-WUJI 開發(fā)了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)單元庫，其中包含 25 種用于執(zhí)行基本功能的邏輯單元。為了優(yōu)化流程的每個(gè)步驟，團(tuán)隊(duì)使用了機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)。

研究人員已實(shí)現(xiàn) 99.77% 的制造良率，該芯片在執(zhí)行運(yùn)算時(shí)僅消耗 0.43 毫瓦的功率。

雖然硅芯片的晶體管數(shù)量是新器件的數(shù)百萬倍，工作頻率也同樣快得多，但包文忠表示，這項(xiàng)新研究是在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行的，這與過去幾十年來投入大量研發(fā)資源的硅基半導(dǎo)體截然不同。他補(bǔ)充道，如果業(yè)界采用二維半導(dǎo)體，「我們相信，趕超硅基半導(dǎo)體性能的速度將比我們想象的要快。」

維也納技術(shù)大學(xué)最近進(jìn)行的一項(xiàng)新研究中，二維活性材料二硫化鉬（MoS2）也在原子水平上進(jìn)行了鉑（Pt）升級(jí)。

研究人員將單個(gè) Pt 原子嵌入到超薄 MoS2 單層中，并首次通過創(chuàng)新方法以原子精度確定了它們在晶格內(nèi)的精確位置。

研究人員認(rèn)為，他們的方法集成了 MoS2 單層中的目標(biāo)缺陷創(chuàng)建、受控的鉑沉積和高對(duì)比度的計(jì)算顯微成像技術(shù)，為理解和設(shè)計(jì)二維系統(tǒng)中的原子級(jí)特征提供了新的途徑。

超越 CMOS：混合二維材料和量子路徑

長期以來，研究人員一直在尋找能夠取代下一代電子產(chǎn)品中硅的新材料。這些材料必須能夠提供更高的性能和更低的功耗，同時(shí)具備可擴(kuò)展性，而這往往需要二維材料。

幾年前，由麻省理工學(xué)院共同領(lǐng)導(dǎo)的一項(xiàng)多機(jī)構(gòu)研究實(shí)際上取得了兩項(xiàng)技術(shù)突破，并且首次報(bào)告了他們采用過渡金屬二硫?qū)倩?(TMD) 生長半導(dǎo)體材料的方法可以使設(shè)備更快、更節(jié)能。

為了創(chuàng)造新材料，該團(tuán)隊(duì)必須克服晶圓規(guī)?；虼笠?guī)模的三個(gè)挑戰(zhàn)：確保單晶性、垂直異質(zhì)結(jié)構(gòu)和防止厚度不均勻。

與 3D 材料不同，3D 材料需要經(jīng)過粗糙化和平滑化處理才能獲得表面均勻的材料，而 2D 材料無法進(jìn)行這種處理，導(dǎo)致表面不平整。這使得大規(guī)模、高質(zhì)量、均勻的 2D 材料難以生產(chǎn)。

因此，該團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了一種促進(jìn)二維材料動(dòng)力學(xué)控制的受限結(jié)構(gòu)，這不僅解決了所有挑戰(zhàn)，而且還要求自定義種子生長以縮短生長時(shí)間。

另一項(xiàng)技術(shù)突破是大規(guī)模、逐層展示單疇異質(zhì)結(jié) TMD。對(duì)二維材料的研究實(shí)際上正在不斷擴(kuò)大，科學(xué)家們不斷嘗試解鎖新的功能以實(shí)現(xiàn)更先進(jìn)的未來。就在幾周前，萊斯大學(xué)的材料科學(xué)家通過化學(xué)方法將石墨烯和二氧化硅玻璃（兩種根本不同的二維材料）結(jié)合成一種名為石墨烯的化合物，從而創(chuàng)造出一種真正的二維混合物。

根據(jù)該研究的第一作者 Sathvik Ajay Iyengar 的說法：「各層之間不僅僅是相互疊加——電子會(huì)移動(dòng)并形成新的相互作用和振動(dòng)狀態(tài)，從而產(chǎn)生任何一種材料本身都不具備的特性?！?/p>

在這項(xiàng)研究中，研究人員開發(fā)了一種兩步單反應(yīng)法，利用一種同時(shí)含有碳和硅的液態(tài)化學(xué)前體來生長石墨烯。通過調(diào)節(jié)加熱過程中的氧氣含量，他們首先生長石墨烯，然后改變生長條件，使其有利于二氧化硅層的形成。

值得注意的是，該方法可應(yīng)用于各種二維材料，為開發(fā)用于下一代電子和量子設(shè)備的定制二維材料打開了大門。

韓國科學(xué)家還利用二維半導(dǎo)體材料發(fā)現(xiàn)了一種新的量子態(tài)，可以為更穩(wěn)定的量子計(jì)算機(jī)提供動(dòng)力。這種新發(fā)現(xiàn)的量子態(tài)還可以被應(yīng)用于二維半導(dǎo)體芯片，從而更可靠地控制量子信息。

一段時(shí)間以來，微小材料一直引領(lǐng)著量子計(jì)算的重大進(jìn)步，而大邱慶北科學(xué)技術(shù)研究院 (DGIST) 的最新研究為新型可重構(gòu)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備開辟了道路。

DGIST 的 Jaedong Lee 表示，「我們發(fā)現(xiàn)了一種新的量子態(tài)，稱為激子-弗洛凱合成態(tài)，并提出了一種新穎的量子糾纏和量子信息提取機(jī)制。這有望推動(dòng)二維半導(dǎo)體量子信息技術(shù)的研究?！?/p>

與此同時(shí)，去年，維爾茨堡大學(xué)和德累斯頓工業(yè)大學(xué)的科學(xué)家開發(fā)了一種二維量子材料的保護(hù)涂層，以保護(hù)它們免受環(huán)境影響，同時(shí)又不損害其革命性的特性。

科學(xué)家們此前發(fā)現(xiàn)，極薄的量子半導(dǎo)體需要復(fù)雜的真空設(shè)備和特定的基底材料。在電子元件中使用二維材料意味著需要將其從真空環(huán)境中移除，但即使短暫暴露在空氣中也會(huì)導(dǎo)致氧化并破壞其性能，「使其變得毫無用處」。

因此，該團(tuán)隊(duì)繼續(xù)尋找一種方法，利用保護(hù)涂層保護(hù)敏感層免受環(huán)境因素的影響。兩年后，他們終于成功了。該團(tuán)隊(duì)使用先進(jìn)的超高真空設(shè)備，對(duì)碳化硅作為茚烯的基底進(jìn)行了加熱實(shí)驗(yàn)。

該團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，這將為涉及極其敏感的半導(dǎo)體原子層的應(yīng)用鋪平道路。目前，該團(tuán)隊(duì)正在尋找更多范德華材料作為保護(hù)層。

通過完全使用原子薄的二維材料構(gòu)建世界上第一臺(tái)可運(yùn)行的 CMOD 計(jì)算機(jī)，研究人員不僅挑戰(zhàn)了硅在電子領(lǐng)域的長期主導(dǎo)地位，而且還為現(xiàn)有的電子設(shè)備更小、更快、更好的問題提出了解決方案。

該團(tuán)隊(duì)制造的 2,000 多個(gè)晶體管能夠在計(jì)算機(jī)上執(zhí)行邏輯運(yùn)算，從而無需使用傳統(tǒng)的硅。盡管仍處于起步階段，但這一突破預(yù)示著一個(gè)令人興奮的未來：由厚度僅為一個(gè)原子的材料驅(qū)動(dòng)的高性能、更節(jié)能、更纖薄的電子產(chǎn)品將成為新的現(xiàn)實(shí)。