“突破摩尔定律”半导体重大突破硅原料将被取代生产待定

中打破了摩尔定律，在新的半导体研究领域取得了巨大的突破。利用一种新的超薄电极材料，实现了二维半导体电子与逻辑电路的自由控制。此外，南洋理工大学、北京大学、南京大学等高校的科研队伍，也在二维半导体的整合与成长上取得了突破性进展。

中国的本土企业也在努力地积累和研究相关的技术，这些技术将会在将来获益。首先，我们要说的是，摩尔定律是什么，为什么它会对半导体产生如此大的影响。戈登·摩尔，英特尔的共同创始人，提出了著名的摩尔定律：每18到24个月，集成电路上的元件数目就会翻一番，而其性能也会翻一番。这就意味着，在每一块硅片上，晶体管的体积会变得更小，也会变得更多。但是今天，一块指甲盖大小的晶体管可以容纳一百亿个，而硅晶体管也已经接近了它的物理极限。摩尔定律的继续，要求新的材料，新的装置。

目前，人们对二维半导体的前景非常看好，因为传统的硅片晶体是以三维块状半导体为基础，使得电子难以透过纳米尺寸的通道。然而，由于二维材料的存在，使得晶体管的体积变得更小，变成了一种更容易让电荷在其中自由流动的超薄晶体管。

由光敏材料及器件研究中心的黄博士、物理学院的李金龙教授带领的一个研究团队，成功地利用了一种新型的超薄电极材料（Cl-SnSe2)，实现了二维半导体电子及逻辑电路的自由控制。

该研究成功地解决了费米能级钉扎问题，使得传统的二维半导体器件难以完成互补逻辑电路，只显示 N型或 P型器件的性能。利用这种新的电极材料，可以实现 N型、 P型的功能，从而形成一种高性能、低功耗、互补逻辑的逻辑电路。

黄教授预测，这种新型的二维电极材料将会是很薄的，具有很高的透明度和d性。所以，他们可以应用到下一代的可弯曲的、透明的半导体装置上。南洋理工大学，北京大学，清华大学和北京量子资讯 科技 研究院的研究者们，近期展示了一种将单晶体滴定在二维半导体上的方法，即高 K钙钛矿的一种氧化物。该技术将为新的晶体管和电子器件的发展提供新的可能。

报告中提及了一种叫做“一种钙钛矿”的单晶滴定锶，以前人们已经发现，用一种具有不同的原子结构的钙钛矿氧化物难以实现。但是，这个研究小组使用了一种聪明的方法，它能够超越这个极限，使材料的组合几乎是无限的。

研究者称，他们发明的晶体管可以用来制作互补的 MOS电路，同时也可以降低功率消耗。在将来，这些装置将会被大量生产，用以研发低功率的逻辑和微型晶片。前不久，王欣然教授和南京大学王金兰教授的研究小组共同宣布，世界上第一个大规模、均匀的二层二硫化钼，这是目前已知的最好的二维半导体材料之一，薄膜的外延生长。

东南大学教授马亮说：“我们的研究成果，不但打破了二硫化钼薄膜的层数可控生长技术瓶颈，开发出了性能最高的二硫化钼膜器件，并将其应用到其它二维材料的外延上，为以后的硅半导体器件的发展开辟了新的思路。”

在二硫化钼的研究中，二硫化钼的载流子迁移率和驱动电流都比单层二硫化钼高，在电子设备的应用中占有很大的优势。然而，采用常规方法制备的二硫化钼双层膜存在着层数均匀性差、膜不连续性等问题，研究小组提出了一种新型的基板诱导成核和“齐头并进”的新型生长机理。

值得一提的是，芯片制造商们，也在积极地进行着新的研究。英特尔与台积电将于2021年12月举行的 IEEE国际电子装置大会上，为解决二维半导体高阻、低电流问题提供了解决办法。在半导体与金属的接触处，存在着锋利的电阻尖，这是目前二维半导体面临的最大阻碍。

台积电与英特尔公司采用了半金属锑作为接触材料，以减少半导体与触头间的能量壁垒，以达到低阻性。从2019年起，台积电一直在寻求一种可以替代硅的二维材料。台积电在今年五月率先宣称，他们已经找到了半金属铋可以在很低的电阻下，成为二维半导体的粘结剂。但是铋的熔点太低，不能承受后续的晶片高温处理。

南京大学电子工程学院王欣然博士团队，着眼于中国国内市场的发展，在2021年九月，天马微电子（深天马）与天马公司的合作，为今后 Micro LED技术的发展开辟了一条崭新的技术路径。

二维的碳

碳是神奇的元素，也是所有地球生命的基础。纯碳能以截然不同的形式存在，可以是坚硬的钻石，也可以是柔软的石墨，还可以是C60那样的富勒烯。而石墨烯，则是碳的另一张奇妙脸孔。想象有那么一张单层的网，每一个网格都是一个完美的六边形，每一个绳结都是一个碳原子。这张网只有一个原子那么厚，可以说没有高度、只有长宽，是二维而不是三维的。这就是石墨烯，它是二维的碳、人类已知的最薄材料，一种正为物理学和材料学带来许多新发现的东西。

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根据半导体业著名的摩尔定律，芯片的集成度每18个月至2年提高一倍，即加工线宽缩小一半。但硅材料的加工极限一般认为是10纳米线宽，当硅材料尺寸小于10纳米时，它的物理、化学性能将发生质的变化，用它制造出的晶体管稳定性变差。提出该定律的摩尔本人公开表示，10年后摩尔定律将很难继续有效。

石墨烯的出现或将令摩尔定律得以延续。石墨烯可以被刻成尺寸不到1个分子大小的单电子晶体管。此外，石墨烯高度稳定，即使被切成1纳米宽的元件，导电性也很好。电子可在石墨烯结构中以1/300光速的超高速度运行，因此它被视为制造下一代芯片的理想材料。使用石墨烯制造的处理器频率有望达到1THz以上，是目前硅芯片的100到1000倍。目前研究人员已开发出10纳米级的可实际运行的石墨烯晶体管，并且开始研制由单原子组成的晶体管。

美国宾夕法尼亚州立大学也已经成功制成了100毫米的纯石墨烯晶圆（制作硅半导体集成电路所用的圆形硅晶片）。制造中，他们使用硅升华技术，去除了碳化硅晶圆中所有的硅，仅留下碳原子组成的石墨烯结构。该晶圆中包含的是石墨烯组成的场效应管元件，研究人员近期就会对其性能进行测试。下一步，他们还计划改进结构，提升电子在石墨烯中的运行速度，使其接近1/300光速的理论极限。

而IBM公司则在宾夕法尼亚州立大学发布100毫米石墨烯晶圆的第二天，在《科学》杂志上展示了迄今为止频率最高的射频石墨烯晶体管，速度可达到100Ghz（即每秒1000亿次），而此前的最好成绩是40Ghz。 据了解，如此高的频率是在晶圆尺度外延生长的石墨烯上获得的，所使用的处理工艺与目前广泛应用的硅设备制造技术也是兼容的。

也许，在不远的将来，我们会在计算机上看到石墨烯纤薄却又强悍的身影。

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