2D CMOS，下一個飛躍

在構成現(xiàn)代電子技術基礎的半導體技術領域，硅（Si）是應用最廣泛的材料。

硅是地球上僅次于氧的第二豐富元素，它通過微型化推動了半導體技術的進步。從微處理器到自動化、計算機、智能手機和電動汽車，硅通過顯著縮小設備的物理尺寸，推動了電子技術的突破。

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功能性，其優(yōu)異的電子特性使其具有廣泛的應用前景。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@些材料的晶圓級生長、高性能場效應晶體管 (FET) 和電路也取得了重大進展。

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

盡管已經取得了很大進展，但實現(xiàn)互補金屬氧化物半導體 (CMOS) 集成仍然是一個挑戰(zhàn)。 CMOS 是一種用于制造集成電路的技術，尤其適用于計算機處理器、存儲芯片和其他數(shù)字設備。它有助于調節(jié)流經這些組件的電流，這對于組件的正常運行至關重要。

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

N 型晶體管使用帶負電的電子作為主要電荷載流子來導電，并允許電流流動。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，金屬氧化物半導體是指用于構造晶體管的材料：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體。

CMOS 的強大之處在于它能夠在單個半導體芯片上構建復雜的電子電路。此外，由于 CMOS 晶體管僅在狀態(tài)切換（開/關）時消耗功率，因此與其他技術相比，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的研究人員已經克服了將 CMOS 與 2D 材料集成的挑戰(zhàn)。他們所做的是，開發(fā)了基于 CMOS 技術的二維單指令集計算機，它利用了大面積 n 型 MoS2 和 p 型 WSe2 場效應晶體管的異質集成。

該團隊通過調整 n 型和 p 型 2D FET 的閾值電壓，實現(xiàn)了高驅動電流并降低了亞閾值漏電。這是通過調整溝道長度實現(xiàn)的，為此他們采用了高 κ 柵極電介質，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 的電壓下運行，運行頻率高達 25 kHz，并且具有皮瓦范圍內的超低功耗和約 100 pJ 的開關能量。

二維 CMOS 計算機突破原子極限

硅是半導體技術的領先者，但與這種化學元素不同的是，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「通過不斷實現(xiàn)場效應晶體管（FET）的小型化，推動了電子技術數(shù)十年的顯著進步」之后，硅在進一步制造更好、更小的設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，」研究負責人、賓夕法尼亞州立大學阿克利工程學教授兼工程科學與力學教授 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」。在這項開創(chuàng)性的工作中，研究團隊利用二維材料開發(fā)了一臺能夠進行簡單操作的計算機。

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基金會的部分支持，詳細介紹了實現(xiàn)更薄、更快、更節(jié)能的電子產品的重大飛躍。

如上所述，他們制造出了一臺不依賴硅的 CMOS 計算機。硅是一種四價準金屬，其性質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 計算機中控制電流所需的兩種晶體管。

對于 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屬化物 (TMDC) 無機材料，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）。

對于 p 型晶體管，使用二硒化鎢（WSe2）。這種無機化合物具有類似于二硫化鉬的六方晶體結構，并以其獨特的電子特性而聞名，包括高載流子遷移率、相當大的帶隙和卓越的開關比。

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

盡管研究表明基于二維材料的小電路可以擴展到復雜、功能性的計算機，但這一成就尚未實現(xiàn)。

據研究人員稱，這是他們工作的關鍵進展。他們首次完全由二維材料構建了 CMOS 計算機，結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，該團隊使用了一種稱為金屬有機化學氣相沉積（MOCVD）的工藝。在此過程中，成分被蒸發(fā)，引發(fā)化學反應，并將產物沉積到基底上。

該團隊利用 MOCVD 技術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。

然后，通過對器件制造和后處理進行仔細的改變，該團隊能夠調整 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。

據該研究的第一作者、工程科學與力學博士生 Subir Ghosh 稱：「我們的 2D CMOS 計算機在低電源電壓下運行，功耗極低，并且能夠在高達 25 千赫的頻率下執(zhí)行簡單的邏輯運算?！?/p>

雖然與傳統(tǒng)硅 CMOS 電路相比，該工作頻率較低，但 Ghosh 指出，他們的計算機仍然能夠執(zhí)行簡單的邏輯運算。「我們還開發(fā)了一個計算模型，該模型使用實驗數(shù)據進行校準，并考慮了不同設備之間的差異，用于預測我們的二維 CMOS 計算機的性能，并與最先進的硅技術進行對比。盡管仍有進一步優(yōu)化的空間，但這項工作標志著利用二維材料推動電子領域發(fā)展的重要里程碑?！挂虼?，盡管取得了巨大成就，但這項工作仍未完成。需要進行更多研究，以進一步開發(fā)二維 CMOS 計算機方法，使其得到更廣泛的應用。不過，Ghosh 強調，與硅技術的發(fā)展相比，該領域的進步速度非?？??！腹杓夹g已經發(fā)展了大約 80 年，但對二維材料的研究相對較新，直到 2010 年左右才真正興起。我們預計二維材料計算機的發(fā)展也將是一個漸進的過程，但與硅的發(fā)展軌跡相比，這是一個飛躍?！?/p>

利用二維材料大規(guī)模構建微芯片

幾個月前，中國科學家也報告稱，他們利用二硫化鉬研制出了一種微芯片。該芯片集成了 5931 個晶體管，每個晶體管的厚度為三個原子。

科學家認為，當硅無法提供進一步的進步時，二硫化鉬（MoS2）可以讓摩爾定律繼續(xù)延續(xù)。

復旦大學教授包文忠表示，「盡管二維材料十多年來一直受到廣泛推崇，但其當前發(fā)展的真正限制并不是任何單一設備的性能，因為許多二維電子設備在實驗室水平上運行良好。」

他補充說，由于「缺乏可擴展、可重復且與工業(yè)流程兼容的集成技術體系」，二維材料的實用性受到質疑。

因此，該團隊研發(fā)了一款名為 RV32-WUJI 的新型微芯片。它擁有近 6,000 個采用傳統(tǒng) CMOS 技術制造的 MoS2 晶體管，標志著該芯片從實驗室研究邁向系統(tǒng)級工程應用。

該微芯片采用 RISC-V 架構，可執(zhí)行標準的 32 位指令。新處理器構建在絕緣藍寶石基板上，該基板將晶體管彼此電子隔離。此外，還為 RV32-WUJI 開發(fā)了一個標準單元庫，其中包含 25 種用于執(zhí)行基本功能的邏輯單元。為了優(yōu)化流程的每個步驟，團隊使用了機器學習技術。

研究人員已實現(xiàn) 99.77% 的制造良率，該芯片在執(zhí)行運算時僅消耗 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，這項新研究是在實驗室中進行的，這與過去幾十年來投入大量研發(fā)資源的硅基半導體截然不同。他補充道，如果業(yè)界采用二維半導體，「我們相信，趕超硅基半導體性能的速度將比我們想象的要快。」

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

研究人員將單個 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的精確位置。

研究人員認為，他們的方法集成了 MoS2 單層中的目標缺陷創(chuàng)建、受控的鉑沉積和高對比度的計算顯微成像技術，為理解和設計二維系統(tǒng)中的原子級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，同時具備可擴展性，而這往往需要二維材料。

幾年前，由麻省理工學院共同領導的一項多機構研究實際上取得了兩項技術突破，并且首次報告了他們采用過渡金屬二硫屬化物 (TMD) 生長半導體材料的方法可以使設備更快、更節(jié)能。

為了創(chuàng)造新材料，該團隊必須克服晶圓規(guī)?；虼笠?guī)模的三個挑戰(zhàn)：確保單晶性、垂直異質結構和防止厚度不均勻。

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

因此，該團隊構建了一種促進二維材料動力學控制的受限結構，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間。

另一項技術突破是大規(guī)模、逐層展示單疇異質結 TMD。對二維材料的研究實際上正在不斷擴大，科學家們不斷嘗試解鎖新的功能以實現(xiàn)更先進的未來。就在幾周前，萊斯大學的材料科學家通過化學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——電子會移動并形成新的相互作用和振動狀態(tài)，從而產生任何一種材料本身都不具備的特性。」

在這項研究中，研究人員開發(fā)了一種兩步單反應法，利用一種同時含有碳和硅的液態(tài)化學前體來生長石墨烯。通過調節(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，該方法可應用于各種二維材料，為開發(fā)用于下一代電子和量子設備的定制二維材料打開了大門。

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

一段時間以來，微小材料一直引領著量子計算的重大進步，而大邱慶北科學技術研究院 (DGIST) 的最新研究為新型可重構數(shù)據存儲設備開辟了道路。

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制。這有望推動二維半導體量子信息技術的研究。」

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

科學家們此前發(fā)現(xiàn)，極薄的量子半導體需要復雜的真空設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導致氧化并破壞其性能，「使其變得毫無用處」。

因此，該團隊繼續(xù)尋找一種方法，利用保護涂層保護敏感層免受環(huán)境因素的影響。兩年后，他們終于成功了。該團隊使用先進的超高真空設備，對碳化硅作為茚烯的基底進行了加熱實驗。

該團隊認為，這將為涉及極其敏感的半導體原子層的應用鋪平道路。目前，該團隊正在尋找更多范德華材料作為保護層。

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

該團隊制造的 2,000 多個晶體管能夠在計算機上執(zhí)行邏輯運算，從而無需使用傳統(tǒng)的硅。盡管仍處于起步階段，但這一突破預示著一個令人興奮的未來：由厚度僅為一個原子的材料驅動的高性能、更節(jié)能、更纖薄的電子產品將成為新的現(xiàn)實。