近年來，二維半導(dǎo)體的應(yīng)用研究獲得了蓬勃發(fā)展，它是最有可能替代硅基材料的新一代半導(dǎo)體。同時，我們也認識到，二維半導(dǎo)體距離產(chǎn)業(yè)化還有相當(dāng)長的一段路程，在當(dāng)前的技術(shù)路徑中仍然存在著一些難以克服瓶頸問題。本文梳理了二維半導(dǎo)體的發(fā)展過程，總結(jié)了其在產(chǎn)業(yè)化的過程中面臨的挑戰(zhàn)，并對該材料的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用進行了討論。

一、二維半導(dǎo)體的研究獲得了蓬勃發(fā)展

2004年，兩位俄裔英國科學(xué)家（安德烈?海姆和康斯坦丁?諾沃肖洛夫）成功得到了單層石墨烯。石墨烯具有機械強度高、導(dǎo)熱系數(shù)高、高遷移率、超薄透明、柔性可卷曲等優(yōu)點，這一發(fā)現(xiàn)掀起了人們對二維材料研究的熱情。尤其在半導(dǎo)體領(lǐng)域，我們希望利用這一新型的二維結(jié)構(gòu)，開發(fā)出更豐富的應(yīng)用場景，同時給行將終結(jié)的摩爾定律注入新的希望。

由于大面積的石墨烯帶隙為零，并不是半導(dǎo)體，在大規(guī)模集成電路中，石墨烯并不是一種理想材料。我們希望找到一種具有類石墨烯結(jié)構(gòu)的、具有合適帶隙的二維半導(dǎo)體材料。經(jīng)過多年的研究積累，研究者們發(fā)現(xiàn)了數(shù)十種二維半導(dǎo)體材料，其中具有代表性的有：過渡金屬硫族化合物、黑磷、硅烯、鍺烯、納米帶石墨烯，以及少量的鎵、鉛、鉍的硫族化合物等。下圖整理了常見的二維半導(dǎo)體材料。圖中由箭頭連接的兩類元素可以構(gòu)成二維半導(dǎo)體化合物，沒有箭頭連接的元素則是單晶二維半導(dǎo)體。此外，氮化硼（BN）并不是半導(dǎo)體，但它是一種非常重要的二維絕緣體材料，在二維半導(dǎo)體的研究中扮演著十分重要的角色。

圖：重要的二維薄膜材料組合圖

二、基于二維半導(dǎo)體材料的基礎(chǔ)研究已趨近完善

近年來，隨著眾多研究者投入二維半導(dǎo)體這一領(lǐng)域，二維半導(dǎo)體材料的眾多性質(zhì)已經(jīng)基本被掌握，數(shù)十萬計的研究成果被發(fā)表，人們對二維半導(dǎo)體的合成、摻雜、能帶結(jié)構(gòu)、晶格結(jié)構(gòu)、界面效應(yīng)、光電特性等一系列物理化學(xué)效應(yīng)的研究已日趨完善。在此基礎(chǔ)上，研究者們開發(fā)了多種基于二維半導(dǎo)體的應(yīng)用器件/電路：如單個的NMOS/PMOS器件\反相器、SRAM、NCFET、納米器件、光電探測器、生物傳感器、存儲器、柔性電路、小型集成電路等。

圖：基于二維半導(dǎo)體的應(yīng)用研究

在眾多應(yīng)用場景中，二維半導(dǎo)體都有不俗的表現(xiàn)，展現(xiàn)了其作為硅基材料的有力替代者的潛力。采用二維半導(dǎo)體的場效應(yīng)晶體管，有望將其溝道長度縮小至2nm。此外，二維半導(dǎo)體在異質(zhì)集成、三維集成等領(lǐng)域也具有較好的發(fā)展前景。斯坦福大學(xué)的研究小組基于碳納米管和二維半導(dǎo)體材料已經(jīng)開發(fā)出了一種新型的三維集成技術(shù)：N3XT，并成功制備出了電路樣品。

三、二維半導(dǎo)體的瓶頸

我們看到，二維半導(dǎo)體在多種應(yīng)用場景中表現(xiàn)出了巨大的發(fā)展?jié)摿Α５S半導(dǎo)體距離實際應(yīng)用還存在著相當(dāng)長的一段距離。在當(dāng)前的技術(shù)路徑中，還存在著一些瓶頸問題，我們對這些問題進行了梳理：

圖：二維半導(dǎo)體的技術(shù)瓶頸

1、二維半導(dǎo)體材料單晶薄膜難以大面積制備。 集成電路的襯底一般是具有相當(dāng)面積的半導(dǎo)體單晶。在二維半導(dǎo)體的制備過程中，一般通過CVD、ALD等設(shè)備沉積大面積二維半導(dǎo)體薄膜，薄膜的形成一般通過成核生長、形成島狀薄膜、薄膜的拼合來完成的。在成膜過程中，島狀薄膜的晶向是難以控制的，因而薄膜拼合時，會形成大量的晶界（即缺陷）；此外，由于襯底上各點的成膜速率不同，操作者難以精確控制二維半導(dǎo)體的層數(shù)，而層數(shù)的不同會顯著影響薄層二維半導(dǎo)體的電學(xué)性能。

2.二維半導(dǎo)體材料容易剝離。 二維半導(dǎo)體材料的層間結(jié)合是通過范德瓦爾斯力完成的，這使得二維材料易于剝離、分層。同時，在二維半導(dǎo)體的流片過程中，受到超聲、沖洗、熱應(yīng)力釋放等作用的影響，其相應(yīng)器件也容易剝離掉，這給大規(guī)模集成電路的制造、電路的穩(wěn)定性帶來了極大挑戰(zhàn)。

3.二維半導(dǎo)體材料的界面干擾問題。 二維半導(dǎo)體具有獨立的二維結(jié)構(gòu)，不與相鄰材料形成化學(xué)鍵。在器件制備過程中，難以穩(wěn)定地控制金屬/半導(dǎo)體的接觸電阻；難以在較大面積的集成電路中，保證一定水平的缺陷/界面態(tài)濃度。因而難以獲得均一的器件電學(xué)特性，也就難以保證集成電路的工作性能。我們注意到，已經(jīng)有部分研究者提出了較好的解決方案，如湖南大學(xué)的研究團隊通過氮化硼插層構(gòu)建載流子隧穿結(jié)，并得到了較低的接觸電阻。

四、二維半導(dǎo)體離產(chǎn)業(yè)化還有多遠？

毫無疑問，二維半導(dǎo)體是具備產(chǎn)業(yè)化潛力的，但要在傳感器、集成電路等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)二維半導(dǎo)體的產(chǎn)業(yè)化，至少還需要以下條件的支持：

1.顛覆性的工藝技術(shù)。 當(dāng)前的二維半導(dǎo)體研究，基本借鑒了硅工藝中常用的技術(shù)手段?？紤]到二維半導(dǎo)體獨特的物理結(jié)構(gòu)，有必要針對性地開發(fā)新的工藝技術(shù)，突破二維半導(dǎo)體的制備、流片過程中存在的一系列技術(shù)瓶頸，根本性地解決二維半導(dǎo)體器件/電路的可靠性問題。

2.形成通用的工藝標(biāo)準(zhǔn)，可靠的IP模組。 當(dāng)前的二維半導(dǎo)體仍處于基礎(chǔ)研究階段，沒有統(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，魚龍混雜。對于現(xiàn)有的器件模組，難以轉(zhuǎn)移到標(biāo)準(zhǔn)的工藝產(chǎn)線上來。我們必須將二維半導(dǎo)體工藝中特殊的工藝參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)化，否則難以確保二維半導(dǎo)體模塊的工藝良率，也就無法大規(guī)模量產(chǎn)。

3.科研工作者與產(chǎn)業(yè)界的緊密合作。 要將實驗室中已有的理論成果轉(zhuǎn)移到產(chǎn)業(yè)界，科研工作者與產(chǎn)線工程師必須進行緊密的技術(shù)合作。一個良好的中試平臺，將極大地促進二維半導(dǎo)體技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的形成，同時也會更加全面地評估二維半導(dǎo)體產(chǎn)品的成本、性能和市場規(guī)模，為后期產(chǎn)業(yè)化做好必要準(zhǔn)備。

可以預(yù)見，起碼在近十年中，二維半導(dǎo)體材料還不具備大規(guī)模取代硅基材料的能力。我們難以斷定二維半導(dǎo)體是否會勝出。但與此同時，我們也應(yīng)該注意到，顛覆性技術(shù)的出現(xiàn)往往會重新書寫整個半導(dǎo)體領(lǐng)域的格局。要知道，世界上第一個晶體管并不是硅基的，而是在鍺襯底上實現(xiàn)的；在數(shù)十年前MOS技術(shù)沒有成熟的時候， BJT才是集成電路的主角。 

2018-10-13  來源：半導(dǎo)體行業(yè)觀察   

文章關(guān)鍵詞： 韋爾半導(dǎo)體股份  香港華清電子(集團)有限公司  二維半導(dǎo)體  

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