二维材料在集成电路中的应用未来本文来自微信公众号：X-MOLNe

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先上一个听来的段子：
【二维材料在集成电路中的应用未来】—“二维材料好像很热门，有什么实际应用呢？”
—“用途很多，目前主要用于制造博士……”

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先不管段子好不好笑，二维材料大受追捧确是事实。尤其是在集成电路和电子器件领域，近几年来二维过渡金属硫化物（TMDs）、硒化物，如MoS2、WS2、MoSe2、WSe2等，纷纷实现了晶圆尺寸制备，被各大顶刊报道[1-6] ，应用于晶体管及逻辑电路制备，并有望减轻短沟道效应，这使得二维材料走出实验室推进实际应用又向前了一步。
近日，美国宾夕法尼亚州立大学SaptarshiDas教授联合斯坦福大学、杜克大学等多家研究机构的学者，在NatureElectronics杂志上发表综述，系统回顾了二维场效应晶体管的发展历史，讨论了关键性能指标，并展望了基于二维晶体管在超大规模集成电路（verylarge-scaleintegration,VLSI）中的优势与挑战。

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晶圆尺寸二维材料。 [1-6]
发展历史
1971年11月，第一款商用微处理器——英特尔4004上市，至今已整整50年。这是一款4位CPU（4bit），集成了约2300个晶体管，采用10μm制程，最高主频只有740kHz ，尺寸3mm×4mm ，被嵌入到一个16针的封装中。五十年后，第12代英特尔CoreTMi7处理器由上百万晶体管组成，采用了10nm工艺，最高主频可达5GHz 。五十年间，器件结构、制备方法、电路设计等方面都进行了无数次创新，然而，有一件事保持不变——硅，仍然是微电子产业的基础。

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Inter4004处理器。图片来源：Nat.Electron.[7]
随着硅基器件即将达到摩尔定律极限， 10nm以下的工艺技术越来越具有挑战性。如果将场效应晶体管（FET）沟道宽度降低至亚1纳米范围，将使得沟道-电介质界面处电荷载流子散射急剧增加，并导致三维半导体晶体的迁移率严重降低。石墨烯——于2004年被剥离出来——这种二维材料具有高迁移率，不存在悬空键的单层结构有助于电子-空穴传输，抑制沟道-电介质界面散射。然而，如何将这种零带隙材料改性为半导体，又变成一项艰巨的任务。

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石墨烯狄拉克点。图片来源：Science[8]
2008年，博士毕业不久的AndrasKis来到瑞士洛桑联邦理工学院工作。他决定带领课题组采取一种不同的方法：如果石墨烯很难变成半导体，那么为什么不直接利用一种本身就具有带隙的二维材料呢[9]？于是，他们锁定了MoS2作为研究对象，并从辉钼矿中成功剥离出单层MoS2（直接带隙~1.8eV），基于其制备的晶体管迁移率高达~200cm2V?1s?1 ，该工作于2011年发表在NatureNanotechnology杂志上，论文标题言简意赅“Single-layerMoS2transistors”[10] ，几个词就概况了论文的最大亮点，霸气十足！

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单层MoS2与晶体管器件示意图。图片来源：Nat.Nanotech.[10]
二维生长
尽管机械剥离具有简单、高效、快速试错等诸多优势，但这种策略制备成本及制成品尺寸的限制使其更适合发表论文，在实际工业生产中缺乏可行性。如果使TMDs应用于集成电路的制备，晶圆级合成是不可避免的，化学气相沉积（CVD）和金属-有机化学气相沉积（MOCVD）技术于是脱颖而出。不过，这些生长工艺温度通常大于500°C ，而根据InternationalRoadmapforDevicesandSystems（IRDS）建议的标准， CMOS工艺兼容性要求TMDs生长温度低于450°C 。目前报道的CVD方法通常将TMDs外延生长在蓝宝石基底上，这大大减少了晶界数量，同时避免了温度兼容性问题。但是，随之而来的第二个难题是，如何将其清洁且无损地转移，以及之后的光刻、沉积等过程中，如何在不破坏二维材料结构的前提下去除残留物，这些工艺设计往往会影响器件的性能。