清华大学任天令/田禾等综述：基于二维材料的器件及芯片技术发展路线

研究背景

随着晶体管尺寸的持续微缩，纳米尺度的硅基器件受到量子隧穿等短沟道效应的影响，造成了严重的性能下降。传统CMOS技术依靠缩小尺寸来提高集成密度的方式面临着严峻的挑战。为了克服硅材料的局限性，推动后摩尔时代的发展，原子层级厚度的二维材料引发了广泛的关注。一方面，在纳米尺寸下二维材料仍表现出优异的载流子迁移率和栅控特性；另一方面，二维材料可以与与硅等其他半导体材料实现异质集成，具有良好的兼容性；此外，二维材料还具有卓越的比表面积，表面活性以及独特的量子特性，在传感、新型量子器件等领域都具有突出的潜力。总之，二维材料在推动摩尔定律向着More Moore, More Than Moore以及Beyond Moore方向发展上有着广阔的前景，为克服当前硅基器件的限制和推动微电子技术的发展极限提供了契机。

The roadmap of 2D materials and devices toward chips

Anhan Liu, Xiaowei Zhang, Ziyu Liu, Yuning Li, Xueyang Peng, Xin Li, Yue Qin, Chen Hu, Yanqing Qiu, Han Jiang, Yang Wang, Yifan Li, Jun Tang, Jun Liu, Hao Guo*, Tao Deng*, Songang Peng*, He Tian*, Tian-Ling Ren*

Nano-Micro Letters (2024)16: 119

https://doi.org/10.1007/s40820-023-01273-5

本文亮点

1. 介绍了后摩尔时代二维电子学的机遇，并依次讨论了二维电子学在数字电路、模拟电路、传感电路、人工智能芯片、异构集成和量子芯片方面的进展。

2. 全面分析了二维材料目前的发展情况以及面临的挑战

3. 提出了二维电子学未来不同芯片技术发展的路线图，并指出了二维电子学最有望实现和最有前途的技术发展路径。

内容简介

由于物理效应的限制和性能退化的影响，硅基芯片技术在维持摩尔定律的演进上面临瓶颈。二维材料已经成为后摩尔时代最有前途的候选者之一，在集成电路和下一代计算等领域展现出巨大的潜力。清华大学任天令教授、田禾副教授，复旦大学刘子玉教授，中北大学郭浩教授，中科院微电子所彭松昂副研究员和北京交通大学邓涛教授等总结了二维半导体在工艺工程和各种芯片应用领域的研究进展。首先详细介绍了材料合成技术和包括器件结构、介电和接触工程以及材料转移在内的晶体管制造工艺。然后讨论了典型芯片领域的二维晶体管应用现状，包括数字和模拟电路、异构集成芯片和传感电路。此外，还介绍了基于特定机制器件的几种有前景的新兴应用方向(人工智能芯片和量子芯片)。最后，分析了二维材料在实现电路级或系统级应用时遇到的挑战，并进一步推测和展望了潜在的发展路线。

图文导读

图1. 二维电路的一般路线图示意图。(a) 硅基、碳纳米管基和二维基集成电路的发展时间线。(b) 二维电路的实现路线和未来可能的应用领域。

I 二维材料面向芯片应用的优势

与传统的块状硅材料不同，二维材料在平面上表现出晶格周期性，通过控制二维材料的层数、异质结构等几何结构，或外加应变和电场，改变其晶格周期性，最终影响能带结构和带隙的大小。二维材料的不同晶格结构和原子排列产生了不同的电子能带结构，从而产生了宽的能带范围，涵盖了半金属、半导体和绝缘体。二维材料易于与其他材料集成，不受晶格常数匹配的约束。随着大数据时代的到来，一些新的计算架构和机制已经被引入下一代计算技术。得益于二维材料独特的性质，基于二维材料的存储器件、神经形态器件、量子器件、离子晶体管等被广泛地研究和应用。

图2. (a) 传统场效应管晶体管的示意图和典型晶体管的转移特性曲线。(b) 二维材料相比于块体材料的部分优势。(c) 2013至2023年不同应用领域二维材料相关文献发表情况。

II  基于二维材料的器件及芯片加工工艺

2.1 材料合成

器件性能均一性是实现二维电路的重要基础，在材料质量方面，芯片级二维电路的实现需要合成均匀且缺陷密度低的晶圆级单晶材料。目前，晶圆级单晶材料的主要制备方法包括化学气相沉积法、机械剥离法和液相剥离等，研究人员从材料生长机制、源材料选择和工艺优化等多个角度对制备材料尺寸和材料性能进行优化。

图3. (a) 单个2英寸生产模块单元示意图以及不同晶圆尺寸的均匀二硫化钼薄膜图片。(b)  Au(111)衬底生长二硫化钼过程示意图及表征图像。(c) 化学气相沉积温度与二硫化钼迁移率的关系图。(d) MOCVD工艺原理示意图。(e) 不同衬底上剥离的二硫化钼光学图像。

2.2 接近理论极限的器件工艺优化

二维材料应用于芯片的迫切需求，激发了晶体管器件工艺的研究热情和发展。许多研究都在努力利用二维材料的独特结构来开发新型小型化晶体管器件，旨在实现栅极长度或沟道尺寸的极致缩放。并通过介质层集成工艺和电极接触工艺的优化，实现器件性能的优化。

图4. 实现晶体管尺寸微缩的部分策略或方法

2.3 材料转移与集成

由于二维材料的原子层厚度和精细晶格，实现二维材料的大规模转移或集成应充分考虑器件良率、器件间可变性、稳定性和可靠性。研究人员致力于开发形成原子级平坦界面和减少二维半导体缺陷、残留物和应变的集成转移方法。

图5. 晶圆级二维材料范德华转移与集成方法

2.4 二维器件的封装工艺

电子封装具有信号互连和芯片保护等功能，考虑到二维材料的空气敏感性及其相对有限的电压容限，二维封装技术的研究和开发仍然至关重要。现有研究多集中于二维材料封装保护层的研究，对于二维器件的信号互连和静电保护仍需更深入的研究和探索。

图4. 实现晶体管尺寸微缩的部分策略或方法

III  基于二维材料的数字与模拟电路

3.1 基于二维材料的数字集成电路

与模拟电路相比，数字电路多采用晶体管实现逻辑而无需电容、电感，有利于完成二维电路的初步设计，因此基于二维材料的大规模电路最可能先出现的生产形式是数字芯片。高开关速度和低功耗是数字电路的基本要求，二维材料因为具有高载流子迁移率、优异的电子传输特性、中等带隙、低电子散射以及灵活性和可扩展性而具有显著优势。为了实现二维数字集成电路，首先是实现完备的逻辑功能，进而实现复杂数字功能。

图6. 基于二维材料的数字集成电路(反相器等逻辑电路，1-bit微处理器)

3.2 基于二维材料的模拟集成电路

尽管数字电路占据了主要的芯片面积和市场份额，但由于信号在自然界中固有的连续性，模拟电路不可或缺，如放大器、模数转换器、时钟和电源管理电路等。然而，传统的硅基CMOS技术随着功能的多样化和密度的提高，其性能提升遇到了噪声和带宽限制等瓶颈。二维材料具有独特的电学和光学特性，表现出优异的载流子迁移率、高导热性和低噪声特性，有利于高速信号处理和低功耗操作。此外，一些二维材料具有直接简化电路设计的固有特性，如石墨烯的双极性输运特性和黑磷的带隙可调特性。

图7. 基于二维材料的模拟集成电路(射频晶体管、射频接收器、双平衡混频器等)

IV 基于二维材料的异质集成芯片

4.1 二维异质集成器件

异质集成技术在降低芯片能耗、降低芯片尺寸以及多功能应用具有显著优势，有望成为延续摩尔定律的核心技术。二维材料与异质集成的结合可以赋予器件更小的面积以及更低的功耗，并且不受短沟道效应以及晶格匹配的限制，从而提高器件沟道材料成分、厚度以及堆叠方式的可调性。

图8 依据器件结构可将二维异质集成器件分为垂直集成互补场效应晶体管、水平集成互补场效应晶体管和环绕式栅极互补场效应晶体管。(a-c) 垂直互补场效应晶体管结构示意图。(d-e) 环绕式栅极互补场效应晶体管示意图。(f-j) 环绕式栅极互补场效应晶体管数据图。(k) 水平集成互补场效应晶体管示意图。(I) 历年互补场效应晶体管工作总结。

4.2 单片异质集成的二维集成电路

二维异质集成电路可以通过不同材料的优势结合补充实现提高芯片的空间利用率和速度并降低功耗，比如硅基与二维基的结合，不同于主要使用单沟道材料的传统集成电路，异质集成电路被认为是多功能应用和优化传统芯片性能的合适且可靠的策略。

图9 (a) 石墨烯霍尔元件与CMOS电路的异质集成结构示意图。(b) 与图a对应的电路设计。(c) 二维材料晶体管模拟电路与CMOS数字电路异质集成的结构示意图。(d) 与图c对应的电路设计。

二维异质集成光电芯片拥有更高密度的晶体管，可分别实现光的产生和光的感知。其中，光的产生依赖二维异质集成芯片(如微型LED、高分辨率显示器等)，光的感知则依赖集成的光电探测器(不局限于可见光波段)。利用三维堆叠的芯片设计技术，可以实现结构简化的高密度互连。

图10 (a) 二维材料在光电子中的应用。(b) 感知光的异质集成电路的结构。(c) 产生光的异质集成电路的结构。(d) 三维堆叠式异质集成图像传感器的结构。(e) 一种二维材料异质集成的图像传感器的结构。(f) 基于二维材料异质集成的图像传感器的电路设计。

V 基于二维材料的传感芯片

尽管传统的硅基传感器芯片已经得到了大量的研究和商业应用，但它们通常面临短通道效应、散热、门调制、响应时间长和灵敏度不足等限制。为了解决这些问题，研究人员已经将注意力转向具有原子层厚度的二维材料。二维材料在传感器技术中的应用具有高灵敏度、快速响应、可调性和高稳定性等明显优势。随着晶圆级二维材料生长技术和转移技术的快速发展，二维材料传感器芯片在过去的十年里取得了显著的进步。

图11 面向芯片的二维材料传感器的发展路线图

基于二维材料的传感晶体管器件不仅可以将特定物理量转换为电参数，还可以通过多种不同栅极结构调制性能，被认为是一种快速、灵敏、易于操作的先进检测技术。该阶段的主要重点是评估单个传感器性能是否符合既定标准，并验证传感器芯片的理论可行性。随后，随着硅基芯片加工技术的出现，二维传感器件逐步向大规模阵列迈进。阵列化传感器在精度和信息方面比单个传感器具有显着优势，同时还具有更丰富的功能，例如对光、热和力等物理量实现伪彩色视觉成像。

图12 二维材料传感器芯片关键技术

VI 基于二维材料的人工智能芯片

大数据时代，人类社会面临着人工智能需求不断增长与算力不足的矛盾。当前具有物理分离的计算和存储单元的冯·诺依曼架构存在两个严重的问题，即存储墙和功耗墙。作为未来人工智能系统的首选架构，基于非冯诺依曼架构的存内计算和感内计算范式的思想具有广阔的应用前景。在这个研究领域，各种材料被广泛探索。其中，二维材料因其独特的结构和多样的物理性质而受到特别关注。

图13 存内和感内计算的概念演变以及该技术领域二维材料的开发路线图

6.1 用于存内计算的二维集成电路

高效的人工突触是神经形态计算的重要基石，突触对于互连神经元和实现大脑功能至关重要。为了提高硬件神经网络的学习精度和能量效率，需要几个突触特性。这些理想的性能指标包括线性和对称的电导更新、大的电导最大/最小比(通俗地称为“动态范围”)、足够数量的电导状态、高耐久性和保持特性、小周期到周期和器件到器件的性能变化，以及权重更新期间的低能耗。各种二维材料已被用来制备人工突触器件，这是构建人工神经网络的第一步。除了器件的进展之外，阵列的最新进展也将为存内计算的进一步发展提供机会。

图14 (a) 生物突触示意图。(b) 人工突触的各种突触特性。(c-g) 人工突触器件的不同结构。(h-n) 人工突触器件的几种工作机制。

图15 用于矩阵向量乘法的基于二维材料的突触阵列架构及其图像识别演示

6.2 用于感内计算的二维集成电路

由于感知和处理单元是分开的，这会产生大量的能量、时间和布线开销。因此，人们致力于构建一个集成感知、存储和计算功能的系统，被称为感内计算。视觉是人体最重要的感觉，80%以上的获取信息是通过视觉系统获得的。与传统的块体材料系统相比，二维材料在实现光电突触方面具有先天的优势。

图16 基于二维材料的光电突触器件

图17 制备的光电突触阵列以及图像感知和数据处理的示意图。

VII 基于二维材料的量子器件及芯片

量子技术基于自旋态叠加、纠缠和相干等现象。在计算、通信、感知和存储等领域，有着相较于经典技术的独特的优势。原子级薄的二维材料在其厚度方向表现出引人瞩目的量子限制效应，为量子信息技术提供了崭新的平台，在量子计算、量子通信和量子传感等领域展现出广阔的前景。由于二维材料中的电子只在两个方向上运动，界面电子散射较少，提高了相干时间，在制造低功耗设备方面具有巨大的优势。二维材料涵盖了从零到宽带隙的广泛能隙范围，并且易于控制。在单光子发射方面，它们覆盖了大量通信波段，并具有更高的光子亮度。在二维材料中，自旋缺陷更容易进行阵列化以便制造，其原子尺度的厚度更有利于其检测微小空间内的物理场。

图 18 二维材料在量子信息技术中的应用和优势，主要集中在量子计算(长相干时间)、量子通信(窄线宽、高光子产生率、可调带隙)和量子传感(阵列、表面接近)

在二维材料中，针对量子点量子比特、缺陷自旋量子比特、超导量子比特和拓扑量子比特等的深入探索，约瑟夫森结的构建以及超导电路的实现都推动了量子计算领域的蓬勃发展。各种量子发射现象，如单光子发射、双激子发射以及谷激子发射等，在二维材料中得到了验证，并且其便于阵列化、大批量的制备。按需单光子态的发展为量子密钥分发提供了新的途径，在单层WSe2量子源中实现了BB84协议的模拟，加速了量子通信发展。对于氮化硼材料而言，其自旋状态对磁场的高度敏感性的发现，推进了基于二维材料的量子磁传感器的出现。这为量子传感领域注入了新的活力。各种二维材料制备的量子器件已经取得初步进展，随着三维封装技术的不断成熟，基于这些二维材料的量子芯片有望在不远的将来实现。

图19 二维材料在量子计算、量子通信和量子传感发展中的关键节点图。

VIII 基于二维材料的量子器件及芯片

目前二维材料在半导体行业的应用仍处于起步阶段，主要集中在科研领域和低附加值产品的开发，产业化需要更加高效稳定、低成本的技术方法，进一步发展还需要从器件性能、工艺兼容性以及规模化生产能力等方面努力，除了实验室研究外，还需发展与产业化相关的技术知识。二维材料产业化研究相比于实验室有着特殊的挑战，主要关注的领域包括：

(1) 具有成本效益的合成技术：目前二维材料的制备尚缺乏统一的制造策略和质量评估体系，需要建立全面的评估标准。由于二维材料的原子薄特性，传统的离子注入方法不可行，需要开发新的具有成本效益的制造技术，同时克服厚度控制、均匀性以及缺陷等影响因素的挑战。

(2) 产线集成：确保二维材料芯片生产线的制造基础设施包含必要或专用的组件来满足二维材料芯片自动化和智能加工的需求。由于二维材料较高的生长温度，还需要在传统CMOS工艺线中增设二维专用区域，包括大尺寸化学气相沉积生长系统，全自动转移与传送设备等。

(3) 电路设计：二维电路设计不能简单地采用硅基电路的方案和方法，需要进一步发展专门针对二维材料的设计流程、方法及相关软件，包括PDK等。此外，电路设计时应充分考虑热负荷以及芯片间串扰引发的挑战，可以考虑冗余设计来提高器件良率。

(4) 封装与测试：二维材料活泼的表面性质使得其对环境条件较为敏感，容易发生氧化或被污染导致性能退化，因此需要开发定制的封装和保护措施，此外，对于晶圆级材料的评估和测试需贯彻整个晶圆生产过程，对二维材料的微观结构变化、失效行为评估以及电学性能等测试需要进一步优化和改进。

(5) 计量和表征：在二维材料的生长和器件制备过程中进行实时观察对于理解材料生长机制和保证质量控制至关重要。考虑到二维材料的原子层结构，开发非破坏性表征技术(如光学监测)至关重要。一方面，关键在于利用现有的传统表征技术，并将其调整以适应2D材料的独特特性。另一方面，需要开发更有针对性或专业化的表征方法，以提供有关材料结构和形态的精确信息。此外，需要建立全面的材料质量和监测评估系统，以实现对这些材料结构质量和整体性能的原位监测。

同时针对二维材料在芯片领域的发展，我们也提出了以下三点潜在路径：

(1) 充分利用二维材料尺寸微缩的优势，在数字和模拟电路领域发展全二维系统。尽管目前在器件方面取得了显著的进展，但将二维材料衔接整合到现有先进工艺节点并建立全套生态体系仍存在巨大挑战；

(2) 发展异质集成芯片技术，如基于硅与二维材料的堆叠芯片或分区集成技术(如Chiplet技术)；这一路径充分利用现有硅基成熟的生态，进一步发展与硅基兼容的二维材料集成工艺，是目前最具前景的路径之一；

(3) 目前对于主流应用来说，二维材料暂时无法取代成熟的块体材料，如Si和GaN等；但利用二维材料的优势，如低工作电流和漏电流以及多功能特性，可能在相对低的材料质量要求下，选择性应用于部分场景，包括低功耗器件、柔性传感器和神经形态计算等。基于现有的相对低成本的工艺，有望在不久的将来推动二维材料的产业化。

作者简介

刘子玉
本文共同第一作者
复旦大学 教授

▍主要研究领域

(1)先进封装的多物理场仿真及设计技术研究；(2)固液瞬态扩散连接和固固扩散连接技术，低温快速晶圆级键合技术，并应用于多层存储器堆叠、传感器集成；3)硅通孔(TSV)连接技术，玻璃通孔(TGV)连接技术，及其与器件集成；(4)高密度互连，再布线技术，芯片埋入技术及可靠性；(5)三维异质芯片集成的散热及可靠性。

▍个人简介

刘子玉，青年研究员，博士生导师。国内顶级封装会议ICEPT的互连分会委员会委员。长期从事三维异质集成关键技术的相关研究，特别是在芯片-芯片/芯片-晶圆/晶圆-晶圆的多层级键合技术、再布线技术、硅通孔技术和三维电容/电感方向，具有丰富的电热力学协同仿真设计、单步工艺集成经验，共发表论文70余篇，在顶级封装会议ECTC发表2篇和国内顶级封装会议ICEPT发表8篇、顶级器件/封装杂志TED上发表论文共10篇。共申请发明专利28项，其中已经授权6项。目前主持省部级以上项目5项、横向项目5项，参与国家重大专项02专项1项，并与多家国内知名封装企业合作，如华为海思、华天昆山(科技)和飞腾等。

▍Email：liuziyu@fudan.edu.cn

任天令
本文通讯作者
清华大学 长聘教授

▍主要研究领域

智能微纳电子器件、芯片与系统，包括：智能传感器与智能集成系统，二维纳电子器件与芯片，柔性、可穿戴器件与系统，智能信息器件与系统技术等。

▍个人简介

清华大学信息科学技术学院副院长，教育部长江学者特聘教授，国家杰出青年基金获得者，博士生导师。近年来，承担国家自然科学重点基金、国家重大科技专项、国家公益性行业科研专项、国家重大仪器专项、国家863计划、国家973计划等多项国家重要科技项目，做出一系列具有重要国际影响的创新学术成果。主要研究方向为智能微纳电子器件、芯片与系统，包括：智能传感器与智能集成系统，二维纳电子器件与芯片，柔性、可穿戴器件与系统，智能信息器件与系统技术等。在国内外重要学术期刊和会议发表论文600余篇，包括Nature、Nature Electronics、Nature Machine Intelligence、Nature Communications、Science Advances、Energy & Environmental Science、Advanced Materials、ACS Nano、Nano Letters、Biosensors & Bioelectronics、Nanoscale、Carbon、IEEE Electron Device Letters、IEEE Journal of Solid-State Circuits、IEEE Transactions on Electron Devices、IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques、IEEE Sensors Journal，以及国际微电子领域顶级会议IEDM论文等；获国内外发明专利70余项。荣获中国电子学会自然科学一等奖(排名1)。

▍Email：RenTL@tsinghua.edu.cn

田禾
本文通讯作者
清华大学 长聘副教授

▍主要研究领域

基于二维材料(石墨烯、二硫化钼、黑磷等)的新型微纳电子器件。

▍个人简介

清华大学集成电路学院长聘副教授，集成纳电子所副所长，国家优秀青年基金获得者，博士生导师。近年来主要研究领域包括基于二维材料(石墨烯、二硫化钼、黑磷等)的新型微纳电子器件：晶体管、存储器、传感器/执行器等。在Nature、Nature Machine Intelligence、Nature Communications、Science Advances、Advanced Materials、 Nano Letters、ACS Nano、IEEE TED、IEEE EDL等期刊发表SCI论文200余篇，微电子器件领域顶级会议IEDM10篇，论文总他引超过8000次，h因子54。主持JKW重点项目、科技部2030重大项目青年科学家项目、国家自然基金优秀青年基金及面上项目、北京市自然基金项目等，获中国电子学会自然科学一等奖，教育部霍英东青年教师基金，入选中国科协青年托举工程等。

▍Email：tianhe88@tsinghua.edu.cn

郭浩
本文通讯作者
中北大学 教授

▍主要研究领域

(1)微纳光量子传感与精密测量仪器；(2)微纳器件集成及应用。

▍个人简介

中国仪器仪表学会量子传感与精密测量仪器分会理事，中国自动化学会导航制导与控制专委会委员。入选了博士后创新人才支持计划，获得山西省技术发明二等奖、IOP中国高被引论文奖、中国仪器仪表学会全国优博提名奖、山西省优博。主持国家自然科学基金面上项目、青年项目，GF重点、探索等多项科研项目。以第一或通讯作者身份在Cell Reports Physical Science, Advanced Materials, Nano-Micro Letters, Advanced Functional Materials等领域内顶级期刊上发表论文多篇，授权多项国家发明专利。

▍Email：guohao@nuc.edu.cn

彭松昂
本文通讯作者
中科院微电子所 副研究员

▍主要研究领域

(1)面向射频、生物传感及人工智能领域的二维材料电子器件与集成技术；(2)二维材料与传统半导体材料异质融合技术。

▍个人简介

彭松昂，中国科学院微电子研究所副研究员，硕士生导师，中国科学院青年创新促进会会员，中国科学院青年创新促进会信息与管理分会会长。主要研究二维材料电子器件工艺与器件物理，以及其在射频、生物传感、人工智能等领域的应用。主持了国家自然基金、基础加强领域基金和前沿创新课题多项国家高技术项目。以第一作者和通讯作者在Advanced Functional Materials, Applied Physics Letters，Carbon，ACS Applied Materials & Interfaces，Nanoscale，Advanced Electronic Materials等国际知名期刊上发表多篇论文。授权多项国家发明专利。

▍Email：pengsongang@ime.ac.cn 

邓涛
本文通讯作者
北京交通大学 教授

▍主要研究领域

(1)MEMS(微机电系统)光电、力学、生化传感器芯片设计、制造与测试；(2)传感器检测电路/系统芯片设计。

▍个人简介

邓涛，北京交通大学电子信息工程学院教授，博士生导师，国家级青年人才计划入选者，担任学校本科生院副院长、微纳电子研究所所长。主持国家级科技委重点基础研究项目课题、国家级“四总部”预研基金、国家自然科学基金等科研项目多项，在Nano-Micro Letters、Advanced Functional Materials、Nano Letters、Optics Letters、IEEE MEMS等微电子领域重要期刊和国际会议发表学术论文多篇，授权发明专利多项，获得教育部博士研究生学术新人奖、IEEE NANO 最佳论文奖等，部分研发产品已投入应用。

▍Email：dengtao@bjtu.edu.cn