從首次提出至今，石墨烯和二維材料(2DM)在科學(xué)和工程領(lǐng)域的研究已經(jīng)持續(xù)了15年。大量的可用數(shù)據(jù)和高性能的器件演示讓人們毫不懷疑二維材料在電子、光電子和傳感領(lǐng)域中的應(yīng)用潛力。那么采用二維材料的集成芯片和產(chǎn)品在哪里?在本篇文章，我們通過(guò)總結(jié)目前阻礙二維材料應(yīng)用的主要挑戰(zhàn)和機(jī)遇來(lái)回答這個(gè)問(wèn)題。

　　制造技術(shù)

　　在我們看來(lái)，這個(gè)問(wèn)題可以通過(guò)比較二維材料和標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體材料的制造準(zhǔn)備水平來(lái)得出結(jié)論。當(dāng)前缺乏將二維材料引入硅（Si）半導(dǎo)體工廠產(chǎn)線的解決方案，這些“單元工藝”（unit processes）將二維材料與硅互補(bǔ)型金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）芯片集成在生產(chǎn)線后端或前端。目前來(lái)看，二維材料的沉積和生長(zhǎng)技術(shù)可以適用于晶圓規(guī)模，但是缺陷和污染還不符合大規(guī)模生產(chǎn)的需求。

　　一般來(lái)說(shuō)，高質(zhì)量的材料通常需要較高的工藝溫度，這加劇了晶圓直接生長(zhǎng)的復(fù)雜性，但同時(shí)也讓轉(zhuǎn)移技術(shù)變得更受歡迎。理論上，晶圓鍵合技術(shù)可以解決這個(gè)問(wèn)題，但顯然這項(xiàng)技術(shù)沒(méi)有達(dá)到完善的制造水平。在設(shè)備層面，二維材料面臨的挑戰(zhàn)就是介質(zhì)（dielectric）和接觸界面（contact interfaces ）的控制。二維材料表面的自鈍化（ self-passivate）性質(zhì)需要用可制造的方法（例如通過(guò)原子層沉積）來(lái)實(shí)現(xiàn)電介質(zhì)的沉積。與使用晶體二維絕緣體(如六方氮化硼)的最佳實(shí)驗(yàn)室演示相比，由此產(chǎn)生的非理想界面限制了器件的性能。

　　二維材料的電觸點(diǎn)也是如此，它只能部分滿足工業(yè)規(guī)范，還沒(méi)有達(dá)到制造標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)二維材料來(lái)說(shuō)，拔除或蝕刻對(duì)底層具有高選擇性的材料尤其具有挑戰(zhàn)性，因?yàn)樗枰蛹?jí)精度，而這只能通過(guò)特定的化學(xué)反應(yīng)和專用的原子層蝕刻設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)。開(kāi)發(fā)合適工藝生產(chǎn)的過(guò)程是冗長(zhǎng)乏味的，因?yàn)闈撛诘亩S材料及其組合的范圍很廣?？偟膩?lái)說(shuō)，蝕刻化學(xué)和其他物理過(guò)程參數(shù)強(qiáng)烈依賴于具體的情況，每個(gè)都需要單獨(dú)的解決方案。摻雜（ Doping），即在晶格中替換原子，是硅所需的一項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)且關(guān)鍵的技術(shù)，它依賴于統(tǒng)計(jì)分布。在二維材料領(lǐng)域，“摻雜”一詞通常用來(lái)描述從缺陷或其附近的分子吸附物到2D二維材料層的電荷轉(zhuǎn)移。

　　精確和長(zhǎng)期穩(wěn)定地控制這種“有效摻雜”仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)，但是傳統(tǒng)摻雜也是挑戰(zhàn)，如硅技術(shù)所示，理想情況下，需要以確定方式替換二維晶體原子。解決這些關(guān)鍵的制造瓶頸是歐洲二維材料試驗(yàn)試點(diǎn)線的明確目標(biāo)。二維材料與硅CMOS技術(shù)的共同集成將大幅提升芯片功能，并使二維材料應(yīng)用按照其設(shè)備復(fù)雜性的順序出現(xiàn)。

　　如圖所示，在過(guò)去多年的發(fā)展中，包括銅互連、高k金屬柵極介質(zhì)和FinFETs等在內(nèi)的材料以及架構(gòu)創(chuàng)新都被采用，以繼續(xù)推動(dòng)摩爾定律(黃線指的是“不太滿意的縮放”)前進(jìn)。但未來(lái)或者說(shuō)“More Moore”“延續(xù)摩爾定律”的縮放，可能需要更薄的納米片晶體管，而二維材料被認(rèn)為是理想的候選材料(紅色指的是，插入a和透射電子顯微圖)。通過(guò)“CMOS + X”集成，例如通過(guò)“More Than Moore”“超越摩爾”領(lǐng)域的傳感器或集成在CMOS芯片上的高頻電子器件，有望獲得實(shí)質(zhì)性的性能和功能增益。借助二維材料的光電性能，光子集成電路可以提高整體系統(tǒng)性能和數(shù)據(jù)處理能力，并開(kāi)啟光譜傳感應(yīng)用。內(nèi)存計(jì)算或憶阻器讓未來(lái)的神經(jīng)形態(tài)計(jì)算應(yīng)用成為可能，并且二維材料可能非常適合與硅CMOS集成。即使在實(shí)驗(yàn)室，2D量子技術(shù)也是最不成熟的，但隨著二維材料進(jìn)入半導(dǎo)體加工線，2D量子技術(shù)將受益于所有預(yù)期的成就。

　　此外，二維材料也有望成為CMOS的X因素。在異構(gòu)集成縮放時(shí)代，新的材料在三維芯片堆疊中提供前所未有的性能。需要注意的是，在經(jīng)典的“摩爾定律”時(shí)期，Y軸的單位為“l(fā)og2（#晶體管/$）”，但在異構(gòu)集成擴(kuò)展時(shí)代，這個(gè)必須被取代，我們建議將其標(biāo)記為“Performance （A.U.）”，因?yàn)樾阅艿奶岣邔⑨槍?duì)于特定應(yīng)用。它將由功耗和效率、模式識(shí)別能力、傳感器融合等(組合)因素決定，由于功能和底層技術(shù)的多樣性，這將會(huì)導(dǎo)致一些任意單元的產(chǎn)生。

　　More Moore

　　一般來(lái)說(shuō)，可以通過(guò)增加集成架構(gòu)的復(fù)雜性以及STCO整體設(shè)計(jì)與系統(tǒng)架構(gòu)的協(xié)同優(yōu)化來(lái)實(shí)現(xiàn)先進(jìn)的半導(dǎo)體技術(shù)節(jié)點(diǎn)。在晶體管層面，領(lǐng)先的半導(dǎo)體制造商正在從FinFET轉(zhuǎn)向堆疊納米片CFET架構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)最先進(jìn)的CMOS技術(shù)節(jié)點(diǎn)。目前，這些納米片器件仍基于硅溝道，而這種納米片的各種結(jié)構(gòu)也被用來(lái)評(píng)估未來(lái)技術(shù)節(jié)點(diǎn)，例如所謂的“fork sheet”設(shè)計(jì)，它允許更緊密的n- p間距，或?qū)和n型納米片相互集成在一起，但進(jìn)一步縮放溝道長(zhǎng)度需要縮小溝道厚度相似的因素，以保證充分的靜電控制，以抑制短溝道效應(yīng)。將硅片厚度減小到所需的值會(huì)增加界面上的電荷散射（ charge scattering），并導(dǎo)致溝道中載流子遷移率急劇下降，從而破壞了器件的性能。而二維半導(dǎo)體將是納米片的最終版本，因?yàn)樗鼈冊(cè)诘谌S是自鈍化（self-passivated ）的，而且載流子遷移率不會(huì)受到表面散射的強(qiáng)烈影響。因此，即使在厚度限制下，遷移率仍然很高。

　　原則上，這種特性可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)技術(shù)節(jié)點(diǎn)的實(shí)際擴(kuò)展，并激勵(lì)半導(dǎo)體行業(yè)最終考慮用二維材料取代硅作為未來(lái)先進(jìn)節(jié)點(diǎn)的晶體管溝道材料。但這個(gè)問(wèn)題又將我們重新帶回到與2D集成相關(guān)的基本技術(shù)和科學(xué)挑戰(zhàn)。值得注意的是，確定一個(gè)合適的柵極氧化物堆棧和尋找低接觸電阻方案（contact schemes）特別重要。前者是必要的，以保持二維材料的特性，并提供充分的靜電控制，同時(shí)減小柵極漏電流。二維六方氮化硼(hBN) 已被廣泛應(yīng)用于展示基于2D材料的高性能器件，但其帶隙和帶階決定了只有一個(gè)或兩個(gè)單分子層才能實(shí)現(xiàn)足夠的靜電控制。這種額外的邊界條件導(dǎo)致了不可容忍的器件漏電，因此必須找到其他的解決辦法。為了保持集成電路中溝道材料的優(yōu)點(diǎn)，需要低接觸電阻，因?yàn)楦呓佑|電阻會(huì)主導(dǎo)并嚴(yán)重限制集成器件的性能。

　　最近，通過(guò)使用半金屬鉍，MoS2中的金屬誘導(dǎo)隙態(tài)（metal induced gap states ）和簡(jiǎn)并態(tài)的自發(fā)形成（spontaneous formation of degenerate states）被報(bào)道，能大大降低MoS2的接觸電阻。然而，要揭示和充分利用CMOS電路中單層晶體管的潛力，重振晶體管的微縮速度和延續(xù)摩爾定律，還需要更多這樣的突破。

　　More than Moore 超越摩爾

　　這類應(yīng)用可能首先進(jìn)入市場(chǎng)，因?yàn)樗鼈兪嵌喾矫娴?，但通常非常具體，所以可以容忍缺陷和較大的器件性能變異量device variation。

　　二維材料由于其固有的高表面/體積比和多功能化特性，非常適合于氣體、化學(xué)和生物傳感器件。因此，在某些二維層狀材料附近的任何帶電粒子或分子都可以改變其導(dǎo)電性。然而，理想中的二維材料是化學(xué)惰性的，這意味著化學(xué)活性的缺乏將極大得增強(qiáng)基于二維材料的傳感器的反應(yīng)活性。因此，精確的缺陷控制對(duì)于確保器件靈敏度是必不可少的。此外，傳感器的選擇性也是至關(guān)重要的。它可以通過(guò)表面功能化或者由不同傳感器組成陣列模擬復(fù)雜的生物系統(tǒng)例如鼻子，來(lái)實(shí)現(xiàn)，具有不同傳感器“指紋”的二維材料組合可以與機(jī)器學(xué)習(xí)算法一起用于傳感器讀取。

　　MEMS通常依賴于芯片上的機(jī)械可移動(dòng)部件。二維材料具有優(yōu)異的機(jī)械性能，可以產(chǎn)生超薄薄膜，直接轉(zhuǎn)化為壓阻式和光機(jī)械讀出方式，以極高的靈敏度，為MEMS提供了高效的信號(hào)傳輸。基于二維薄膜的MEMS應(yīng)用包括壓力傳感器、加速度計(jì)、振蕩器、共振質(zhì)量傳感器、氣體傳感器、霍爾效應(yīng)傳感器和熱輻射計(jì)。

　　與現(xiàn)有的光電子和光子技術(shù)相比，二維材料具有一系列優(yōu)勢(shì)，特別是在硅材料可以處理的光譜范圍之外。但即便如此，在光發(fā)射方面，許多二維材料的直接帶隙比硅更有優(yōu)勢(shì)。半金屬和小帶隙材料，如石墨烯、二硒化鉑或黑磷，開(kāi)啟了紅外(IR)體系，與昂貴的III-V半導(dǎo)體技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)。雖然二維特性在垂直方向上轉(zhuǎn)化為較低的絕對(duì)吸收，但與紅外敏感吸收層的結(jié)合帶來(lái)了更高的探測(cè)器響應(yīng)能力。

　　光子集成電路

　　光子集成電路被認(rèn)為是在計(jì)算機(jī)芯片上或在計(jì)算機(jī)芯片之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕K極性能推進(jìn)器，將它們通過(guò)光電轉(zhuǎn)換器以極高的數(shù)據(jù)傳輸速率連接到硅基器件是一項(xiàng)關(guān)鍵的應(yīng)用技術(shù)。二維材料，特別是石墨烯，可以轉(zhuǎn)移到光子波導(dǎo)上，并提供寬帶光檢測(cè)和信號(hào)調(diào)制。通過(guò)消除對(duì)外延的需要，基于二維的光子集成允許將有源器件組件與硅光器件集成，但也可以與無(wú)源非晶體波導(dǎo)材料集成，如氮化硅集成，這為復(fù)雜光子學(xué)應(yīng)用在CMOS上打開(kāi)了大門。事實(shí)上，一些二維材料，如二硒化鉑，也可以在低于400°C的溫度下直接共形生長(zhǎng)，這在尋求與硅CMOS技術(shù)結(jié)合的光子集成電路方面是一個(gè)明顯的優(yōu)勢(shì)。有了集成2D光源的潛力，二維材料可以最終實(shí)現(xiàn)電子學(xué)和光子學(xué)的融合，并在太赫茲間隙的光譜上架起橋梁。

　　神經(jīng)形態(tài)計(jì)算

　　神經(jīng)形態(tài)計(jì)算旨在為人工智能應(yīng)用提供啟發(fā)大腦的計(jì)算設(shè)備和架構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)節(jié)能硬件。在器件層面，對(duì)神經(jīng)形態(tài)計(jì)算的要求包括將內(nèi)存與邏輯合并，來(lái)實(shí)現(xiàn)模擬突觸和神經(jīng)元的內(nèi)存計(jì)算和記憶設(shè)備特性。前者已經(jīng)可以用傳統(tǒng)的存儲(chǔ)技術(shù)實(shí)現(xiàn)，而后者轉(zhuǎn)化為閾值開(kāi)關(guān)和具有寬范圍可編程電阻狀態(tài)的非易失性憶阻器。盡管這項(xiàng)技術(shù)相對(duì)較新，但二維憶阻器已經(jīng)顯示出了很有前景的性能，包括焦耳量級(jí)的開(kāi)關(guān)能量、亞納秒級(jí)的開(kāi)關(guān)時(shí)間、數(shù)十種可編程狀態(tài)，以及晶圓級(jí)的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)原型，可以實(shí)現(xiàn)傳感器系統(tǒng)和邊緣計(jì)算的應(yīng)用，例如通過(guò)傳感器數(shù)據(jù)的預(yù)處理或芯片上傳感器融合。除了神經(jīng)形態(tài)計(jì)算外，二維記憶體已經(jīng)被證明可以提供廣泛的非計(jì)算功能，包括安全系統(tǒng)的物理不可克隆功能，以及通信系統(tǒng)的射頻切換功能。

　　從科學(xué)的角度來(lái)看，二維器件中的電阻轉(zhuǎn)換現(xiàn)象產(chǎn)生原因在于離子輸運(yùn)、缺陷形成或相變效應(yīng)。盡管有這些基本方面，二維憶阻開(kāi)關(guān)仍然是一個(gè)受到越來(lái)越多討論和研究的話題。在設(shè)備層面，一個(gè)根本性的挑戰(zhàn)就是提高電阻切換的次數(shù)，即所謂的耐久性，這需要進(jìn)一步研究潛在機(jī)制的老化效應(yīng)。同樣，為了實(shí)現(xiàn)能夠模仿大腦的超連接性和效率的大規(guī)模連接設(shè)備陣列，提高材料的均勻性將是至關(guān)重要。令人振奮的是，截至目前已有超12個(gè)二維材料展示了記憶效應(yīng)，在未來(lái)幾年這個(gè)數(shù)量可能還會(huì)持續(xù)增長(zhǎng)。因此，越來(lái)越需要算法來(lái)指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)研究和優(yōu)化記憶元件，以獲得最大性能。

　　量子技術(shù)

　　二維材料和相關(guān)的van-der-Waals 范德華異質(zhì)結(jié)構(gòu)的各種性質(zhì)也使得它們成為自旋電子學(xué)和未來(lái)量子技術(shù)中高度可調(diào)的量子材料。二維材料系統(tǒng)不僅能夠?qū)崿F(xiàn)量子物質(zhì)的人工狀態(tài)，還能實(shí)現(xiàn)固態(tài)量子計(jì)算的許多承諾，以此作為量子通信電路的關(guān)鍵部件或允許有趣的量子傳感方案。事實(shí)上，二維材料是一個(gè)很有前途的量子點(diǎn)固態(tài)平臺(tái)，比如人們很早就認(rèn)識(shí)的拓?fù)淞孔佑?jì)算元件，以及單光子發(fā)射器的相干源。

　　基于半導(dǎo)體量子點(diǎn)(DQs)的量子計(jì)算使用捕獲電子的單個(gè)自旋態(tài)。除其他方面外，它依賴于在主體材料中起重要作用的長(zhǎng)自旋相干時(shí)間，這使得石墨烯成為一種非常有趣的自旋量子位材料，因?yàn)樗哂腥踝孕壍礼詈?碳原子非常輕)和弱超精細(xì)耦合(碳12是無(wú)自旋核)。隨著柵極控制量子點(diǎn)(QDs)中單電子限制的研究進(jìn)展，第一個(gè)自旋量子比特即將問(wèn)世。在二維材料中制造自旋量子位的可能性也將允許評(píng)估額外的谷自由度作為可能的量子位狀態(tài)；存在關(guān)于谷和自旋谷量子位的有趣建議。

　　此外，二維材料中的固定量子比特可以與單光子發(fā)射體(SPE)實(shí)現(xiàn)的光子量子位耦合，例如在附近的寬帶隙六方氮化硼或半導(dǎo)體過(guò)渡金屬二鹵族化合物(例如WSe2)中。在這些二維材料中，SPE近年來(lái)已經(jīng)被證明是打開(kāi)分布式量子網(wǎng)絡(luò)的大門，其中光子量子位可以作為互連，使遙遠(yuǎn)的靜止量子比特，例如自旋量子位，進(jìn)行糾纏。這種堅(jiān)固、明亮、難以區(qū)分的單光子發(fā)射器對(duì)于創(chuàng)造光子(飛行)量子位來(lái)實(shí)現(xiàn)高效的量子通信至關(guān)重要。

　　此外，二維異質(zhì)結(jié)構(gòu)是用于拓?fù)淞孔佑?jì)算的有前途的材料，與標(biāo)準(zhǔn)量子計(jì)算相比，量子態(tài)可能更好地（即，拓?fù)涞兀┓乐篃o(wú)序。例如，將量子反?；魻柦^緣體或石墨烯調(diào)制到傾斜的反鐵磁量子霍爾相與s波超導(dǎo)體相結(jié)合，是拓?fù)淞孔佑?jì)算中一個(gè)很有前途的應(yīng)用平臺(tái)。簡(jiǎn)而言之，這些進(jìn)展使二維材料及其異質(zhì)結(jié)構(gòu)在許多方面成為未來(lái)量子技術(shù)應(yīng)用的一個(gè)令人興奮的平臺(tái)。

　　結(jié)論

　　與現(xiàn)有技術(shù)相比，二維材料在設(shè)備級(jí)提供了卓越的性能優(yōu)勢(shì)，還可以與硅CMOS技術(shù)輕松集成，這使得它們成為硅芯片(也被稱為“CMOS + X”)的主要擴(kuò)展功能的候選者。我們相信，在未來(lái)的集成產(chǎn)品中，二維材料將越來(lái)越成為一個(gè)x因素，具體取決于目標(biāo)應(yīng)用的不同，基于二維材料的異構(gòu)電子技術(shù)的瓶頸也將獲得突破，達(dá)到所需的大規(guī)模制造水平。