一種名為“二維半導(dǎo)體”的新型半導(dǎo)體材質(zhì)近期接連取得研發(fā)突破，未來不僅可能取代硅作為半導(dǎo)體原料，更可能成為摩爾定律的“續(xù)命”法寶。
韓國科學(xué)技術(shù)研究院（KIST）近日宣布通過開發(fā)一種新型超薄電極材料，已成功使基于二維半導(dǎo)體的電子和邏輯器可自由控制電氣性能。此外，南洋理工大學(xué)、北京大學(xué)、南京大學(xué)等校的研究團(tuán)隊也在二維半導(dǎo)體集成及材料生長方面取得突破。
與此同時，國內(nèi)上市公司也在蓄力研發(fā)和儲備相關(guān)技術(shù)，未來或受益這一前沿科技。
中外科研團(tuán)隊接連取得突破
1965年，英特爾聯(lián)合創(chuàng)始人戈登·摩爾提出著名的摩爾定律：集成電路上可容納的元器件的數(shù)量每隔18至24個月就會增加一倍，性能也將提升一倍，這意味著單位面積硅芯片上晶體管的物理尺寸越來越小，數(shù)量越來越多。但時至今日，一個指甲大小的芯片可承載100億個晶體管，硅晶體管也正在達(dá)到其物理極限。摩爾定律的延續(xù)，需要完全不同的新材料和新設(shè)備。
近年來被廣泛寄予厚望的二維半導(dǎo)體就是其中之一。因傳統(tǒng)硅晶體管基于三維的塊體半導(dǎo)體，在其中電子很難通過納米尺度的通道。但二維材料可使晶體管尺寸進(jìn)一步縮小，成為原子級超薄的晶體片，方便電荷相對自由地流過。
韓國科學(xué)技術(shù)研究院（KIST）近日宣布，光電材料與器件中心的Do Kyung Hwang 博士和物理系的Kimoon Lee教授領(lǐng)導(dǎo)的聯(lián)合研究小組通過開發(fā)新型超薄電極材料（Cl-SnSe2），成功使基于二維半導(dǎo)體的電子和邏輯器可以自由控制其電氣性能。
圖片來源：Wiley Online Library
這項研究攻克了費(fèi)米能級釘扎（Fermi-level pinning）現(xiàn)象下，傳統(tǒng)二維半導(dǎo)體器件很難實現(xiàn)互補(bǔ)邏輯電路的難題（僅表現(xiàn)N型或P型器件的特性）。使用該新型電極材料，單個器件得以同時執(zhí)行N型和P型器件的功能，得到一種高性能、低功耗、互補(bǔ)的邏輯電路，可以執(zhí)行不同的邏輯運(yùn)算。
Do Kyung Hwang博士預(yù)計，開發(fā)的二維電極材料非常薄，表現(xiàn)出高透光率和柔韌性。因此，它們可用于下一代柔性透明半導(dǎo)體器件。
南洋理工大學(xué)、北京大學(xué)、清華大學(xué)和北京量子信息科學(xué)研究院的研究人員最近展示了利用范德華力成功地將單晶滴定鍶（一種高K鈣鈦礦氧化物）與二維半導(dǎo)體集成。這種方法可以為開發(fā)新型晶體管和電子元件開辟新的可能性。
團(tuán)隊方法示意圖 圖片來源：Tech Xplore
單晶滴定鍶是一種鈣鈦礦氧化物，此前已發(fā)現(xiàn)將鈣鈦礦氧化物與具有不同原子結(jié)構(gòu)的材料結(jié)合起來幾乎是不可能的。但該團(tuán)隊采用的智能方法成功繞過這一限制，可以實現(xiàn)幾乎無限的材料組合。
研究人員表示，他們創(chuàng)造的晶體管可用于制造高性能和低功耗互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體逆變器電路。未來，他們的設(shè)備可以大規(guī)模制造，用于開發(fā)低功耗的邏輯電路和微芯片。
不久前，南京大學(xué)王欣然教授團(tuán)隊與東南大學(xué)王金蘭教授團(tuán)隊合作宣布，在國際上首次實現(xiàn)大面積均勻的雙層二硫化鉬（已知的二維半導(dǎo)體材料中光電性能最優(yōu)秀的材料之一）薄膜外延生長。
“這份研究不僅突破了大面積均勻雙層二硫化鉬的層數(shù)可控外延生長技術(shù)瓶頸，研制了最高性能的二硫化鉬晶體管器件，而且雙層二硫化鉬層數(shù)可控成核新機(jī)制有望進(jìn)一步拓展至其他二維材料體系的外延生長，為后硅基半導(dǎo)體電子器件的替代材料提供了一種新的方向和選擇?！闭撐墓餐谝蛔髡摺|南大學(xué)教授馬亮表示。
在已知二硫化鉬的研究中，雙層二硫化鉬相比單層二硫化鉬具有更高的載流子遷移率、更大的驅(qū)動電流，在電子器件的應(yīng)用中更有優(yōu)勢。但傳統(tǒng)生長模式獲得的雙層二硫化鉬存在層數(shù)均勻性差和薄膜不連續(xù)的難題，該團(tuán)隊提出了襯底誘導(dǎo)的雙層成核以及“齊頭并進(jìn)”的全新生長機(jī)制取得突破。
英特爾和臺積電的角逐
國內(nèi)上市公司也在發(fā)力
除了科研團(tuán)隊，商業(yè)巨頭們在二維半導(dǎo)體領(lǐng)域的研發(fā)也在緊鑼密鼓地推進(jìn)。誰能領(lǐng)先對手一步實現(xiàn)晶體管微縮，誰就能掌握未來芯片乃至科技領(lǐng)域的話語權(quán)，這場競爭甚至可能決定誰是未來十年的芯片霸主。
在去年12月舉辦的IEEE國際電子設(shè)備會議上，英特爾和臺積電展示了他們針對二維半導(dǎo)體高電阻低電流難題的解決方案。在半導(dǎo)體與金屬接觸的地方有尖銳的電阻尖，這是二維半導(dǎo)體當(dāng)前最大的障礙。臺積電和英特爾通過使用半金屬銻作為觸點(diǎn)材料來降低半導(dǎo)體和觸點(diǎn)之間的能量障礙，從而實現(xiàn)二維半導(dǎo)體與器件的低電阻連接。
臺積電自2019年以來就尋找能取代硅的二維材料。去年5月，臺積電率先宣布發(fā)現(xiàn)半金屬鉍能作為二維半導(dǎo)體的結(jié)合材料達(dá)到極低電阻。但鉍存在熔點(diǎn)太低的缺陷，無法經(jīng)受后續(xù)芯片的高溫加工。
值得一提的是，二維半導(dǎo)體的研發(fā)并不僅是巨頭的戰(zhàn)場，國內(nèi)上市公司的身影也不容忽視。
2021年9月，南京大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院王欣然教授課題組突破了二維半導(dǎo)體單晶制備和異質(zhì)集成關(guān)鍵技術(shù)，其中就有天馬微電子股份有限公司（深天馬A）的合作。這一突破為未來Micro LED顯示技術(shù)發(fā)展提供了全新技術(shù)路線。彼時就有投資者第一時間向深天馬A提問，該公司回復(fù)確認(rèn)上述突破消息屬實，公司參與了相關(guān)研究。
目前二維半導(dǎo)體研究最多的兩個材料，二硫化鉬（molybdenum disulfide）和二硫化鎢（tungsten disulfide）也有公司涉足。
鉬專業(yè)生產(chǎn)商金鉬股份去年8月官宣，成功將類石墨烯二硫化鉬應(yīng)用于鋰離子電池中。在二維半導(dǎo)體應(yīng)用方面，公司方面對記者表示，二硫化鉬作為一種前沿的材料，公司一直有生產(chǎn)，也有小規(guī)模的銷售，但目前在公司產(chǎn)品中占比非常小，應(yīng)用方面的情況不清楚。
家居和新材料領(lǐng)域公司德爾未來2021年6月在投資者互動平臺透露，公司控股子公司烯成石墨烯有二硫化鉬制備設(shè)備的技術(shù)儲備，主要用于制備二硫化鉬二維半導(dǎo)體材料。
不過，德爾未來內(nèi)部人士向記者表示，該公司的技術(shù)儲備至今尚未有進(jìn)一步推進(jìn)，也沒有商業(yè)化生產(chǎn)。該技術(shù)儲備與公司戰(zhàn)略有關(guān)，具體應(yīng)用尚不確定。