二维材料，未来可期！

一、【研究背景】

Gordon Moore曾预测，即芯片上的晶体管数量大约每两年翻一番，促使了半导体行业为遵循这一趋势竞相努力，即摩尔定律。这导致了半导体芯片尺寸和性能的显著增加，从几千个晶体管到数十亿个，而这个过程在技术和工程上的挑战也逐渐增多。

然而，随着时间的推移，晶体管尺寸的进一步缩小变得越来越具有挑战性。经典的硅基晶体管技术逐渐接近其物理极限，即减小半导体通道的厚度至少3纳米，出现了固有的问题，如在半导体-绝缘体界面处的电荷载流子散射增加，以及迁移率降低等。

为了解决这些问题，科学家们开始寻找新的材料和技术。在这个背景下，二维（2D）材料，特别是过渡金属二硫化物（TMDs）等二维半导体受到了极大的关注。这些材料具有原子级的薄膜特性，表现出优异的性能，被认为是持续微型化晶体管尺寸的有希望材料。

然而，尽管2D材料具有巨大的潜力，但在实际应用中，仍然存在一些挑战。特别是，如何将这些材料集成到现有的半导体技术中，以及如何解决与其相关的制造和工程问题，是当前的研究重点之一。

有鉴于此，宾夕法尼亚州立大学工程科学与力学系Darsith Jayachandran, Najam U Sakib、 Saptarshi Das教授等联合在“Nature Reviews Electrical Engineering”期刊上发表了题为“3D integration of 2D electronics”的综述论文。本研究聚焦于探索3D集成2D电子学的进展和挑战。通过综合分析和实验，作者试图解决2D材料集成的技术问题，并评估其在实际应用中的潜在价值。

通过这项研究，作者为实现3D集成2D电子学提供了重要的技术支持和理论指导。作者的工作为未来的科学研究和工程应用提供了有价值的参考，为数字电子学和技术的发展做出了贡献。

二、【图文解读】

图1展示了硅技术和2D电子学的演变。在这张图中，研究者详细说明了自1959年以来硅技术的发展历程，以及2D电子学的发展情况。通过图1a，作者可以看到自1959年以来硅基晶体管技术的关键里程碑，以及2D电子学的关键时刻。图1b展示了2D电子学的材料合成和器件性能的演变过程。这些数据提供了关于2D材料的综合信息，包括MoS2、MoSe2、WS2等材料的性能和关键参数。通过这些数据，作者可以了解到2D材料在电子学中的潜在应用。

图1：硅技术和2D电子学的演变。

图2则展示了3D集成的概念以及其在2D电子学中的应用。图中的a部分显示了3D集成2D电子学的示意图，指出了其可以实现的额外功能，如感测和存储。图中的b部分和c部分分别说明了“更多摩尔”和“不仅仅是摩尔”的概念。图中的具体数据提供了关于2D场效应晶体管（FETs）的性能参数，以及它们在3D集成中的应用前景。通过这些数据，作者可以了解到3D集成对于提高器件性能和功能具有重要意义。

图2. 2D电子学的3D集成。

图3展示了3D集成2D电子学的应用。图中的a部分展示了2D材料与硅逻辑的集成用于光电子学。b部分显示了单片3D互补金属-氧化物-半导体（CMOS）与2D FETs的集成。c部分说明了将感知和存储功能与逻辑集成的应用场景。d部分和e部分分别展示了2D电子学在FETs方面的应用。图中的具体数据提供了有关2D材料和器件性能的信息，以及它们在不同应用领域的潜在价值。通过这些数据，作者可以了解到3D集成2D电子学的广泛应用领域。

图3. 3D集成2D电子学的应用。

图4则展示了3D集成2D电子学的设计考虑和挑战。图中的a部分展示了化学机械抛光的示意图，说明了制造过程中的挑战。b部分和c部分分别说明了热管理和静电耦合方面的挑战。通过这些数据，作者可以了解到3D集成2D电子学在设计和制造过程中所面临的挑战，并为解决这些挑战提供了参考和启示。

图4. 3D集成2D电子学的设计考虑和挑战。

三、【科学启迪】

本文对三维集成技术和二维材料在半导体领域的潜在应用进行深入剖析和探讨。首先，文中指出了三维集成技术在数字电子学和技术发展中的重要性，尤其是在解决晶体管尺寸持续微型化和功能增强方面的潜力。其次，文章突出了二维材料作为解决晶体管尺寸缩小挑战的重要性，强调了二维半导体的优势和广泛应用前景。进一步地，文章详细讨论了二维材料的成长技术和电子器件性能的进展，强调了这些技术突破对于推动晶体管尺寸持续微型化的重要性。

此外，文章提出了将二维电子学与三维集成相结合的前景和优势，强调了这种集成方法不仅可以满足当前的摩尔定律要求，还可以提供多种功能，进而推动晶体管尺寸和功能的进一步发展。最后，文章指出了未来的发展方向和挑战，强调了需要继续研究解决这些挑战，以实现二维电子学与三维集成的完美融合，为未来数字电子学和技术发展指明了重要的方向和路径。

文献详情：Jayachandran, D., Sakib, N.U. & Das, S. 3D integration of 2D electronics. Nat Rev Electr Eng (2024). https://doi.org/10.1038/s44287-024-00038-5