如果说2004年石墨烯样品的成功制备是二维材料的第一把火，那么如今石墨烯以外的其他稳定材料将成为“第二把钻研后硅时代的火”。研究人员说，超紧凑，高性能的电子芯片可以克服传统集成电路面临的挑战，并无限期地维持摩尔定律。为了创建这些高性能芯片，研究人员将利用相对较新且前景广阔的二维（2D）材料。

　　在过去的十年中，二维材料引起了令人难以置信的兴趣。2D材料的兴起始于2004年石墨烯样品的成功制备。特别是观察到的高载流子迁移率提高了人们的期望，即石墨烯可能成为FETs的完美通道材料，并将成为传统半导体材料的继任者。然而，在石墨烯晶体管研究的早期热情高涨之后，人们清楚地认识到，由于石墨烯不具备适当的场效应晶体管运行所必需的带隙，它将无法满足这些高期望。就在晶体管界对石墨烯的兴趣开始消退之际，受石墨烯成功制备的启发，研究人员深入研究了获得石墨烯以外稳定二维材料的各种选择，二硫化钼（MoS2）和二硫化钨（WS2）等新的面向未来电子产品的2D晶体管的材料正在大受欢迎。

　　2D材料前景可期

　　我们都知道，芯片制造主要分为两个部分：前端部分由工艺（其中许多工艺需要高温）组成，这些工艺会改变硅本身，例如注入掺杂剂以定义晶体管的各个部分；后端部分建立了许多互连层，这些互连层将晶体管连接在一起以形成电路并提供电源。

　　随着传统晶体管缩放越来越困难，工程师一直在寻找向互连层添加功能的方法。但单单使用普通的硅工艺以及做不到这一点，因为所涉及的热量会损坏器件及其下方的互连。因此，这些方案中的许多方案都依赖于可以在相对较低的温度下制成器件的材料。

　　因此2D材料成为各大研究机构的突破口，二维材料往往比传统材料要灵活得多，这使其非常适合最新的电子应用，例如柔性显示器。在2D电子材料中，最著名的当然是石墨烯，它是一种六角形蜂窝状碳片，具有出色的热电传导性，奇数的光学功能以及令人难以置信的机械强度。但是作为制造晶体管的物质，石墨烯尚未得到广泛的应用。因为石墨烯缺乏带隙，而带隙正是使材料成为半导体的关键特性。

　　取而代之的是，科学家和工程师们一直在探索过渡金属二卤化物的宇宙，它们的化学式均为MX2。它们由十几种过渡金属（M）中的一种以及三种硫属元素化物（X）中的一种组成：硫，硒或碲。二硫化钨（WS2），二硒化钼（MoS2）和其他几种可以在单原子层中制成（与石墨烯不同）的天然半导体。这些材料使得在硅之后，我们将能够一直缩小晶体管的尺寸，直至达到原子薄的组件。

　　Imec认为，用2D材料制成的设备值得我们和全球其他研究人员投入其中的所有科学和工程工作，因为它们可以消除当今晶体管的最大问题之一，短沟道效应。

　　金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）是所有数字产品中的一种设备，它由五个基本部分组成：源极和漏极、连接它们的通道区域、栅极电介质，其一侧或多侧覆盖沟道，以及与电介质接触的栅电极。在栅极上相对于源极施加电压会在沟道区域中形成一层移动电荷载流子，从而在源极和漏极之间形成导电桥，使电流流动。

　　但是，随着通道越来越小，即使栅极上没有电压，电流也会越来越多地流经通道，这会浪费功率。从20世纪的平面设计向当今最先进的处理器中使用的FinFET晶体管结构的转变是一种尝试，它通过使沟道区域更薄并使栅极在更多的侧面围绕起来，来抵消这种重要的短沟道效应。

　　Imec认为，某些2D半导体可以通过替换设备通道中的硅来规避短通道效应。2D半导体提供了非常薄的沟道区域-如果仅使用一层半导体，则其厚度将与单个原子一样薄。由于电流流动的这种受限路径，当设备即将关闭时，电荷载流子几乎没有机会溜走。这意味着该晶体管可以继续缩小，而不必担心短沟道效应的后果。

　　使用2D半导体代替某些其他候选半导体的一个特殊优势是可能构建p型（载带正电荷）和n型（载带电子）器件，这是CMOS逻辑的必要条件。CMOS电路是当今逻辑的基础，因为理想情况下，它们仅在从一种状态切换到另一种状态时才消耗功率。

　　2D材料的最新研究进展

　　在后硅电子时代，在用原子厚的二维材料制造晶体管，专家认为2D半导体如二硫化钼（MoS2）和二硫化钨（WS2）可能更适合这项工作。

　　石墨烯（黑色六角形）和二硫化钼（蓝色和黄色层状结构）在其他成分中的晶体管插图现在，通过将石墨烯和二硫化钼结合，研究人员已经制造出一种晶体管，其工作电压为原来的一半，电流密度比目前正在开发的任何最先进的2D晶体管都要高。这将大大降低基于这些2D设备的集成电路的功耗。

　　布法罗大学电子工程教授Huamin Li在IEEE国际电子器件会议（IEDM）上介绍了该器件，他说：“我们能够充分利用2D材料的潜能，制造出在能源消耗和开关速度方面表现更好的晶体管。”

　　有趣的是，该设备利用了石墨烯缺乏带隙的优势。在晶体管中，栅电极上的电压将电荷载流子注入到沟道区中，从而在源电极和漏电极之间形成导电路径。常规的硅晶体管和2D MoS2晶体管利用了从源发出高能“热”电子的优势。对于漏极电流每增加十倍（60mV/十倍），这就设置了60毫伏的基本极限。

　　Huamin Li说，没有带隙的石墨烯是“冷”电子源。这意味着通过沟道区域将电子发送到漏极所需的能量更少。其结果是，设备电流可以更快地接通和关闭。

　　李说：“使用这种独特的机制，我们能够突破切换的基本极限。”该小组的1纳米厚晶体管仅需29mV即可实现器件电流10倍的变化。“我们使用较少的电压来切换器件并控制更多的电流，因此我们的晶体管更节能。”

　　研究人员通过在一层MoS2上叠加一层石墨烯来制作该装置。这个堆叠区域作为晶体管通道，研究人员将栅极电极沉积在顶部。石墨烯单层充当源极，而二硫化钼层作为漏极。

　　山东大学的研究人员也在IEDM上展示了他们的工作，他们说，其他冷源材料，如2D金属和富电子的n掺杂半导体也可以用来打破60mV/十年的限制。通过仿真和建模，他们发现n掺杂石墨烯可以将电压降低到24mV。即使简单地使用n掺杂的硅，也可以将其降至33mV。

　　李说，他和他的同事选择MoS2作为他们的概念验证设备，因为这是研究人员长期了解和研究的2D半导体。这些小组和其他小组不限于此2D材料。他们还使用二硫化钨（WS2）和黑磷等材料。布法罗的李说：“如果其他材料在我们的设备技术中能更好地工作，我们将进行探索。”

　　另据digitimes报道，今年三月台积电和交大携手在《Nature》发表的在Cu（111）上长的单晶hBN（hexagonal BoronNitride；六角形氮化硼）。它的长晶难处在于由于hBN有两种相，而其能量差极为微小，只有0.05eV，近乎简并态（degenerate state）。相对于在长晶退火时的能量尺度0.1eV这区别太小，因此退火后晶体会呈现不同相的领域（domain）。解决的方法是先在蓝宝石上长纯粹的Cu（111）晶体，由于Cu在边界有垂直的边缘，这个边缘有偏好的方向性，可以打破简并态的对称性，因此利用此边界可以在Cu （111）上长成单晶的hBN。单晶的hBN可以置于MoS2与其上高k介电质HfO2之间，减少HfO2边缘悬空键对于在MoS2中流动电子的诱捕和散射。

　　此外，台积电的研究人员也在IEDM上发表了有关碳纳米管的进展，该团队发明了一种生产更好的栅极电介质（gate dielectric）的工艺。十多年前，硅半导体工业通过切换到新的介电材料二氧化铪（hafnium dioxide）解决了电流泄漏并浪费能量的问题。而碳纳米管的问题在于，它们不允许在控制按比例缩小的设备所需的薄层中形成电介质。形成high-k电介质一直是一个大问题。

　　台积电的Matthias Passlack和UCSD的Andrew Kummel教授提出了一种解决方案，将HfO2的原子层沉积与沉积中间介电常数材料氧化铝的新方法结合在一起。Al2O3是使用UCSD发明的纳米雾工艺沉积的。像水蒸气凝结形成雾一样，Al2O3凝结成簇，覆盖纳米管表面。然后可以使用该界面电介质作为立足点开始HfO2的原子层沉积。

　　这两种电介质的综合电学特性使该团队能够构建一种器件，该器件的栅极电介质在宽度仅为15纳米的栅极下的厚度小于4纳米。最终的器件具有与硅CMOS器件相似的开/关电流比特性，并且仿真表明，即使具有较小栅极电介质的较小器件也能正常工作。

　　三星最近也在《Nature》发表了非晶相氮化硼（a-BN；amorphous BN），用途是在金属导线四周的介电质。a-BN的介电常数大、密度高，能减少金属导线上的铜离子迁移。

　　位于比利时鲁汶的Imec公司正把赌注压在WS2上，该公司的研究人员认为，WS2应该能生产出有史以来性能最高的设备。两年前，imec项目总监Iuliana Radu和她的团队开发了一种将高质量的WS2单层放置在300mm硅片上的技术。他们现在报告说，他们可以在晶片规模上制造WS2晶体管。“这项工作为二维材料的工业应用铺平了道路，”他们说。

　　令据eenewseurope的报道，瑞士EPFL的工程师已经开发出了一种芯片的生产技术，EPFL的纳米级电子和结构实验室（LANES）使用2D MoS2层在一个称为浮栅场效应晶体管（FGFET）的设备中结合了存储和逻辑。MoS2的电气特性使其对FGFET中存储的电荷特别敏感，这使LANES工程师能够开发既可以用作存储器存储单元又可以用作可编程晶体管的电路。将其用于逻辑和内存非常适合于机器学习算法。这些晶体管已经在相机，智能手机和计算机的闪存系统中使用。

　　LANES开发的内存中逻辑架构避免了因移动数据而造成的功率损耗。虽然以前已经制造了单个设备的原型，但该团队已经开发了一个批处理过程，一次可生产80个设备。该团队说，这些设备的通道长度为1um，但是2D材料的尺寸可以缩小到12nm以下。

　　结语

　　电子应用2D材料的研究是一个新的领域，从第一个石墨烯、二硫化钼和磷烯MOSFET分别于2007年、2011年和2014年被报道的事实可以看出。鉴于这段短暂的历史，迄今为止其取得的成就是显著的，人们也期待着进一步的进步。但是说实话，评估二维材料在电子领域的真正潜力是极其困难的。

　　但是业界能注意到2D材料的多样性既是一件好事，也是一件坏事。对研究人员来说，2D材料是激动人心的科学的一个新的广泛领域，这是一件好事；但也有一件坏事，那就是研究资金将遍布多种材料。但资助和研究活动迟早需要集中在有限数量的有前途的2D材料上。

　　早在2014年，电气与电子学教授Kaustav Banerje在一篇文章中就首次公开了将2D材料和3D集成实践结合在一起可以使摩尔定律持续发展。总之，我们相信，某些2D材料最终会在电子领域得到应用，2D半导体将在未来的硅芯片领域占据一席。