下一代半導(dǎo)體：二維材料未來(lái)7年路線圖

在過(guò)去十年中，過(guò)渡金屬二硫化物 (TMD) 和石墨烯已成為二維材料中最重要的元素之一，有助于克服硅基技術(shù)的局限性。TMD 和石墨烯提供了創(chuàng)新的晶體管設(shè)計(jì)和功能方法。它們實(shí)現(xiàn)了原子級(jí)厚度的通道晶體管和單片 3D 集成，標(biāo)志著信息技術(shù)的新時(shí)代。

臺(tái)積電、英特爾和 IMEC 等大型公司在 2D 材料研究和集成方面投入了大量資金。這標(biāo)志著從實(shí)驗(yàn)室到工業(yè)規(guī)模應(yīng)用的轉(zhuǎn)變。毫無(wú)疑問(wèn)，2D 材料將推動(dòng)未來(lái)設(shè)備性能和系統(tǒng)增強(qiáng)方面的創(chuàng)新。

二維材料從研究到工業(yè)應(yīng)用的轉(zhuǎn)變帶來(lái)了各種挑戰(zhàn)。中國(guó)頂尖學(xué)者最近制定了基于二維材料的信息技術(shù)路線圖。在這里，我們結(jié)合他們的觀點(diǎn)和 PreScouter 的見解，介紹了二維材料在工業(yè)應(yīng)用方面的當(dāng)前進(jìn)展和未來(lái)的潛在趨勢(shì)。

什么是 2D 材料？

2D 材料非常薄，通常只有一個(gè)或幾個(gè)原子厚。它們具有高電導(dǎo)率和出色的機(jī)械強(qiáng)度。此外，2D 材料具有高度的靈活性和光學(xué)透明性。這些材料具有出色的熱導(dǎo)率和半導(dǎo)體特性，并具有可調(diào)帶隙的額外優(yōu)勢(shì)。它們的化學(xué)穩(wěn)定性可確保各種應(yīng)用中的可靠性和耐用性。

這些特性使得 2D 材料在制造下一代微型、先進(jìn)電子和光器件方面前景廣闊。TMD 和硼烯就是 2D 材料的一些例子。

二維材料與摩爾定律有何關(guān)系？

過(guò)渡金屬二硫?qū)倩镏挥袔讉€(gè)原子厚，具有優(yōu)異的物理特性。這些材料對(duì)于突破硅以外的摩爾定律界限至關(guān)重要。

摩爾定律預(yù)測(cè)，芯片上的晶體管數(shù)量大約每?jī)赡昃蜁?huì)翻一番。這推動(dòng)了電子產(chǎn)品的快速增長(zhǎng)和小型化。然而，硅在制造微型和高效晶體管方面已達(dá)到物理極限。

TMD 為這個(gè)問(wèn)題提供了解決方案。它們的超薄結(jié)構(gòu)允許制造更小、更高效的電子設(shè)備。通過(guò)使用 TMD，研究人員和工程師可以繼續(xù)縮小晶體管尺寸。這允許將更多晶體管封裝到單個(gè)芯片中，從而延長(zhǎng)摩爾定律預(yù)測(cè)的進(jìn)度。

這些特性使得 TMD 對(duì)于開發(fā)更快、更強(qiáng)大、更高效的下一代先進(jìn)電子產(chǎn)品至關(guān)重要。

二維材料是如何制成的？

制備二維材料的方法多種多樣?；瘜W(xué)氣相沉積 (CVD) 和金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積 (MOCVD) 是生產(chǎn)高質(zhì)量晶圓級(jí)二維材料的主要方法。這些方法可以控制二維材料的生長(zhǎng)，使其具有理想的性能。這種控制對(duì)于將其集成到電子和光電設(shè)備中至關(guān)重要。

雖然當(dāng)前的流程已經(jīng)明確，但工業(yè)規(guī)模的生產(chǎn)需要新的設(shè)備和創(chuàng)新的設(shè)計(jì)來(lái)推動(dòng)該領(lǐng)域的發(fā)展。

二維材料工業(yè)應(yīng)用路線圖：

本節(jié)概述了擴(kuò)大 2D 材料工業(yè)應(yīng)用的必要步驟。這里，我們提出了提高精度和增加生產(chǎn)能力的策略。

1. 精準(zhǔn)擴(kuò)大規(guī)模

該技術(shù)路線圖強(qiáng)調(diào)需要擴(kuò)大高精度二維材料的生產(chǎn)規(guī)模，包括開發(fā)更大的單晶圓，例如 2 英寸 n 型單晶圓的進(jìn)展。

然而，控制材料缺陷以及使硅的性能與 p/n 型材料相匹配是關(guān)鍵挑戰(zhàn)。未來(lái)的發(fā)展目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)更大的單晶，并精確控制缺陷。

外延生長(zhǎng)技術(shù)的最新進(jìn)展使得制造 12 英寸多晶材料成為可能。此前，最先進(jìn)的技術(shù)主要涉及生產(chǎn)尺寸較小的晶圓，單晶質(zhì)量的均勻性和一致性較差。兩項(xiàng)獨(dú)立研究表明，金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積可以生長(zhǎng) 12 英寸單晶 MoS2 單層。該工藝采用石英噴嘴引導(dǎo)前體輸送方法。此外，還開發(fā)了一種模塊化生長(zhǎng)策略，用于批量生產(chǎn)晶圓級(jí)過(guò)渡金屬二硫?qū)倩?。該工藝允許制造 2 英寸晶圓，每批最多可生產(chǎn) 15 片。它還創(chuàng)下了 12 英寸晶圓尺寸的記錄，每批產(chǎn)能為 3 片。

此前，生產(chǎn)能力和晶圓尺寸相當(dāng)小，產(chǎn)量較低，缺陷率較高。這些進(jìn)步提高了生產(chǎn)的晶圓的規(guī)模和質(zhì)量，提高了生產(chǎn)效率。這為二維材料在先進(jìn)電子和光子器件中更廣泛和實(shí)際的應(yīng)用鋪平了道路。

這些發(fā)展對(duì)于集成電路應(yīng)用至關(guān)重要，因?yàn)榧呻娐窇?yīng)用需要具有低缺陷密度和高均勻性的材料。目前正致力于實(shí)現(xiàn) p 型和 n 型材料的單晶圓，使平面內(nèi)缺陷密度降低至 1010 cm-2。這種對(duì)精確縮放的關(guān)注對(duì)于提高基于 2D 材料的設(shè)備的性能和可靠性至關(guān)重要。

當(dāng)前挑戰(zhàn)：

• 控制材料缺陷。

• 實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)的統(tǒng)一性。

• 在 p/n 型應(yīng)用中，硅和 2D 材料的性能不匹配。

應(yīng)對(duì)挑戰(zhàn)：

• 需要先進(jìn)的外延生長(zhǎng)技術(shù)和創(chuàng)新的制造工藝。

• 必須進(jìn)一步發(fā)展精密縮放和缺陷控制技術(shù)。

• 協(xié)作研究努力和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)合規(guī)至關(guān)重要。

當(dāng)前狀態(tài)和 TRL：

該技術(shù)處于 TRL 4-5 階段，基本功能已在實(shí)驗(yàn)室和受控環(huán)境中得到展示。預(yù)計(jì)未來(lái) 2-3 年內(nèi)將取得重大進(jìn)展，隨著精度和可擴(kuò)展性的提高，將邁向更高的 TRL。

2. 通過(guò)人工智能增強(qiáng)原子位置和缺陷的可視化

二維材料的表征技術(shù)已達(dá)到亞原子分辨率水平。其中包括像差校正高分辨率透射電子顯微鏡和掃描透射電子顯微鏡等進(jìn)步，包括疊層掃描 STEM。這共同增強(qiáng)了原子位置和缺陷的可視化。

將人工智能工具集成到這些流程中對(duì)于制定標(biāo)準(zhǔn)化和精細(xì)化的評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)至關(guān)重要。人工智能提高了分析實(shí)驗(yàn)元數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和效率。它使材料表征更加可靠和簡(jiǎn)化。

此外，AI 還有助于在制造過(guò)程中進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)和在線表征。這可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)評(píng)估，快速識(shí)別缺陷并提高產(chǎn)量和技術(shù)工作流程。

隨著基于 2D 材料的晶圓級(jí)芯片成為硅技術(shù)的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手，人工智能驅(qū)動(dòng)的質(zhì)量評(píng)估技術(shù)尤為重要。這些技術(shù)可確?？焖?、自動(dòng)化、無(wú)創(chuàng)地檢查設(shè)備。它們可保持質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)并探索操作極限和故障機(jī)制。

當(dāng)前挑戰(zhàn)：

• 制定標(biāo)準(zhǔn)化、精細(xì)化的二維材料表征評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)。

• 缺乏用于人工智能訓(xùn)練的復(fù)雜算法和大型數(shù)據(jù)集。

應(yīng)對(duì)挑戰(zhàn)：

• 建立全面的數(shù)據(jù)集并改進(jìn)的機(jī)器學(xué)習(xí)模型。

• 人工智能研究人員和材料科學(xué)家之間的合作。

當(dāng)前狀態(tài)和 TRL ：

該技術(shù)目前處于 TRL 3-4 階段，其中已建立概念驗(yàn)證并測(cè)試了初始集成。預(yù)計(jì)未來(lái) 3-5 年內(nèi) AI 集成將取得重大進(jìn)展。

3. 電子器件：后段與前段的協(xié)同

2D 半導(dǎo)體器件的性能指標(biāo)正在向與硅基器件相媲美的方向發(fā)展。重點(diǎn)是高 k/金屬柵極集成和可控?fù)诫s等基礎(chǔ)技術(shù)。性能、功耗和面積優(yōu)化方面的改進(jìn)是主要目標(biāo)。結(jié)合后端 (BEOL) 和前端 (FEOL) 工藝將推動(dòng)這些改進(jìn)。

但是，為什么在 BEOL 和 FEOL 工藝中集成 2D 半導(dǎo)體很重要？

將 2D 材料整合到芯片背面的功率門控設(shè)備中可以提高性能，而無(wú)需極紫外光刻。歐姆接觸技術(shù)和摻雜控制的進(jìn)步對(duì)于高性能設(shè)備至關(guān)重要。這些設(shè)備可以集成到成熟的硅節(jié)點(diǎn)中以降低功耗。這種方法將有助于滿足先進(jìn)技術(shù)節(jié)點(diǎn)（例如亞 1 納米節(jié)點(diǎn)）的需求。

當(dāng)前挑戰(zhàn)：

• 實(shí)現(xiàn)可靠的摻雜控制。

• 集成高 k/金屬柵極。

• 確保 BEOL 和 FEOL 工藝之間的兼容性。

應(yīng)對(duì)挑戰(zhàn)：

• 精煉摻雜技術(shù)。

• 開發(fā)高 k/金屬柵極的新材料。

• 增強(qiáng)流程整合。

當(dāng)前狀態(tài)和 TRL：

該技術(shù)處于 TRL 4-5 階段，已展示出關(guān)鍵組件并實(shí)現(xiàn)部分集成。預(yù)計(jì)在未來(lái) 3-5 年內(nèi)實(shí)現(xiàn)全面功能集成。

4. 熱管理和互連

有效的熱管理和減少電阻電容延遲至關(guān)重要。利用介電常數(shù)較低的材料并集成六方氮化硼和石墨烯等二維材料將提高器件的性能和可靠性。這些材料有望改善熱管理并最大限度地減少半導(dǎo)體器件的延遲。

多晶和非晶 BN (a-BN) 作為熱管理解決方案的潛力巨大。這些材料可以降低工作溫度，并有助于提高設(shè)備性能和耐用性。

例如，h-BN 可以充當(dāng)熱散射粘合層。它降低了工作溫度并提高了設(shè)備性能。石墨烯具有出色的導(dǎo)電性和抑制表面散射效應(yīng)的能力。這使得它成為降低互連電阻和提高半導(dǎo)體器件壽命的有前途的材料。隨著尺寸縮小和操作需求增加，這些創(chuàng)新對(duì)于保持設(shè)備性能至關(guān)重要。

當(dāng)前挑戰(zhàn)：

• 將 h-BN 和石墨烯集成到現(xiàn)有的半導(dǎo)體工藝中。

• 確保集成材料在運(yùn)行條件下的穩(wěn)定性和可靠性。

應(yīng)對(duì)挑戰(zhàn)：

• 需要進(jìn)行更多研究來(lái)開發(fā)將 h-BN 和石墨烯集成到半導(dǎo)體工藝中的方法。

• 需要進(jìn)行廣泛的測(cè)試以確保長(zhǎng)期穩(wěn)定性和性能

當(dāng)前狀態(tài)和 TRL：

該技術(shù)處于 TRL 3-4 級(jí)，已在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。隨著集成方法的改進(jìn)和可靠性的建立，預(yù)計(jì)在未來(lái) 3-4 年內(nèi)將達(dá)到更高的 TRL。

5. 集成電路和 3D 集成

基于二維半導(dǎo)體的集成電路的未來(lái)將轉(zhuǎn)向三維集成。這種方法利用二維半導(dǎo)體的優(yōu)勢(shì)進(jìn)行單片三維異質(zhì)集成。它提高了芯片級(jí)的能效和功能性。這一轉(zhuǎn)變將使更緊湊、更高效的三維集成電路成為可能。

3D 集成技術(shù)的進(jìn)步主要集中在利用 2D 半導(dǎo)體與硅基 CMOS 電路的后端 (BEOL) 集成。該策略有望提高芯片級(jí)能效并擴(kuò)展硅基芯片的功能。例如，與 CMOS 電路集成的 2D 半導(dǎo)體存儲(chǔ)器和傳感器可以提高整體芯片性能。這使其成為開發(fā)高性能、節(jié)能集成電路的關(guān)鍵途徑。

當(dāng)前挑戰(zhàn)：

• 開發(fā)可靠的二維材料堆疊工藝。

• 確保 3D 結(jié)構(gòu)中的高效熱管理。

應(yīng)對(duì)挑戰(zhàn)：

• 粘合技術(shù)、熱管理解決方案和工藝集成方面的更多創(chuàng)新。

• 研究高效散熱的新材料和方法至關(guān)重要。

當(dāng)前狀態(tài)和 TRL：

該技術(shù)處于 TRL 3-4 階段，初步演示了 3D 集成。堆疊和熱管理方面的進(jìn)步預(yù)計(jì)將在未來(lái) 4-5 年內(nèi)將其推至 TRL 5-6 階段

6. 光電集成

光電集成有望成為高通量信息技術(shù)的關(guān)鍵方向。合成大規(guī)模、高質(zhì)量單晶和開發(fā)多功能集成器件的進(jìn)步至關(guān)重要。這種集成將為支持各種應(yīng)用的更高效的光電技術(shù)鋪平道路。

目前的研究重點(diǎn)是大面積單晶的合成，并致力于開發(fā)基于這些單晶材料的高性能、多功能光電器件。

例如，實(shí)現(xiàn)高發(fā)光效率和擴(kuò)大光電器件的工作波長(zhǎng)范圍是關(guān)鍵的里程碑。這些進(jìn)步將支持光通信系統(tǒng)、成像技術(shù)和量子信息處理中的應(yīng)用。最終，這將拓寬應(yīng)用范圍并提高光電技術(shù)的整體性能。

當(dāng)前挑戰(zhàn)：

• 實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量、大尺寸單晶

• 開發(fā)性能一致的多功能集成設(shè)備

應(yīng)對(duì)挑戰(zhàn)：

• 大面積單晶的先進(jìn)合成技術(shù)

• 改進(jìn)設(shè)備制造工藝。

當(dāng)前狀態(tài)和 TRL ：

該技術(shù)目前處于 TRL 3-4 階段，在實(shí)驗(yàn)室規(guī)模合成和器件開發(fā)方面取得了重大進(jìn)展。隨著合成和集成技術(shù)的成熟，預(yù)計(jì)在未來(lái) 3-4 年內(nèi)將發(fā)展到 TRL 5-6 階段。

2D 材料何時(shí)才能對(duì)工業(yè)產(chǎn)生意義？

2D 材料對(duì)于信息技術(shù)的未來(lái)至關(guān)重要。這些材料的獨(dú)特性質(zhì)使設(shè)備性能和系統(tǒng)集成取得了突破。對(duì)于行業(yè)而言，及時(shí)了解這些進(jìn)步對(duì)于保持競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)至關(guān)重要。

2D 材料已在商業(yè)上投入使用。例如，石墨烯用于加熱和熱管理的散熱膜，并用于智能手機(jī)。這些薄膜由 Sixth Element 等公司生產(chǎn)，以其出色的導(dǎo)熱性而聞名，即使在較大厚度水平下也能保持穩(wěn)定。

Grapheal 公司利用石墨烯開發(fā)可穿戴和一次性生物傳感器，可實(shí)現(xiàn)持續(xù)監(jiān)測(cè)和現(xiàn)場(chǎng)診斷。石墨烯的特性使其能夠靈敏、快速地檢測(cè)生物信號(hào)。這對(duì)于可穿戴健康監(jiān)測(cè)設(shè)備和現(xiàn)場(chǎng)診斷工具至關(guān)重要。

Varta Micro Innovation 和 Graphene Flagship 項(xiàng)目表明，在硅基鋰離子電池中添加少量石墨烯可以顯著提高其性能。石墨烯提供導(dǎo)電且穩(wěn)定的基質(zhì)，可減輕硅在充電和放電循環(huán)過(guò)程中的顯著體積膨脹。這一進(jìn)展使電池的容量比目前的替代品高出 30%。它還有助于電池在超過(guò) 300 次充電放電循環(huán)中保持性能。

短期內(nèi)（1-3 年），研發(fā)可能會(huì)繼續(xù)進(jìn)行。半導(dǎo)體和光電子行業(yè)的早期采用者將開始在利基應(yīng)用中實(shí)施 2D 材料。

隨著制造技術(shù)的進(jìn)步和成本的下降，中期（3-7 年）二維材料將得到更廣泛的應(yīng)用。更多行業(yè)（如儲(chǔ)能和柔性電子）將在其產(chǎn)品中采用二維材料。

然而，業(yè)界可能會(huì)逐漸將目光投向長(zhǎng)期（超過(guò) 7 年），屆時(shí) 2D 材料將成為許多高性能和下一代設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)組件。在此期間，2D 材料的潛力可能會(huì)得到充分發(fā)揮，從而推動(dòng)技術(shù)和行業(yè)的重大進(jìn)步。