（文/姜羽桐）隨著芯片制程逼近原子尺度，誕生整整60年的“摩爾定律”面臨物理極限，甚至連英偉達（Nvidia）首席執行官黃仁勛都公開表示“摩爾定律已死”。事實上，隨著硅基半導體制程的結構越來越復雜，成本越來越高，硅基先進制程的投入產出比越來越小。而使用非硅材料來制造更小更低功耗的晶體管，成為不得不提前考慮的事情。

在此背景下，二維材料成為延續“摩爾定律”的未來希望，各國科學家為此孜孜以求，力圖找到二維材料落地的究極密鑰。近年來，學術界屢有科研新突破，不斷提振產業界信心。但最令人關心的還是，我們距離二維半導體材料實現規?；虡I應用還有多遠？

石墨烯，首個二維材料誕生

英國曼徹斯特大學物理學家安德烈·蓋姆（Andre Geim）有一個癖好，他喜歡在周五下午召集實驗室同仁，詢問眾人的奇思妙想。于是有人提議，能否將青蛙懸浮起來？不久，安德烈·蓋姆通過磁懸浮技術克服重力作用，讓一只青蛙懸浮在半空中，并推論使用類似的方法可以讓人克服重力作用漂浮起來，憑此在2000年獲得“搞笑諾貝爾獎”物理學獎（又稱伊格諾貝爾獎）。

有趣的是，2004年，蓋姆和同事諾沃肖洛夫（Konstantin Novoselov）通過“撕膠帶”的方式獲得了單層石墨結構，即使用普通膠帶用純石墨剝離石墨烯層，直到只剩下一層石墨烯。在將膠帶組件溶解在丙酮中并干燥后，就可以在顯微鏡下觀察到石墨烯——這種二維材料薄到了任何材料能達到的極限，只有一個原子厚；2010年，兩人因“利用膠帶成功地從石墨中剝離出石墨烯”而獲得了真正的諾貝爾物理學獎！

圖/存放于瑞典諾貝爾博物館的石墨、石墨烯電晶體、膠帶，膠帶上有蓋姆簽名

作為首個被發現的二維材料，厚度僅0.335納米的石墨烯，被認為是最具潛力的半導體替代材料，擁有極其優異的物理性質，如高強度、高導電性、高導熱性等，科學界期望利用它制備新一代的半導體器件，是下一代“碳基半導體”強有力的候選人。之前IBM一項研究表明，相比硅基芯片，石墨烯芯片在性能和功耗方面預期將有較大提升。比如，硅基芯片制程從7納米推進至5納米，芯片速度將有20%的提升；而7納米制程的石墨烯芯片相比7納米制程的硅基芯片，速度提升高達300%——前提是能夠在石墨烯的能帶里打開一個“空隙”。

但很可惜，石墨烯天然是一個半金屬的材料，它的能帶中沒有空隙（半導體的能帶都會有這樣一個“空隙”，或者學名叫“帶隙”），無法達到理想半導體電流關閉的狀態，難以被制成像晶體管一樣的電子開關元件。因此，盡管蓋姆團隊制備出了石墨烯，但他仍然在2007年的一篇關于石墨烯的評論文章中流露出悲觀情緒。他在當時提出，就學術研究而言，這些材料（用來制作邏輯電路的道路）基本上都是“死的”，因為我們幾乎已經了解了其所有特性。的確如此。石墨烯誕生后的很長一段時間里，都未能在半導體領域找到“用武之地”。甚至連二維材料也是如此，最大的進步就是發現了越來越多的材料種類，僅此而已。

直到20年后——2024年，中國天津大學和美國佐治亞理工學院科研人員組成的研究團隊，使用特殊熔爐在碳化硅晶圓上的生長方法，取得重大突破，生產出了外延半導體石墨烯單層。研究發現，如果制造得當，外延石墨烯會與碳化硅發生化學鍵合，并表現出半導體特性，這成功攻克了長期以來阻礙石墨烯電子學發展的關鍵技術難題，打開了石墨烯帶隙，實現了從“0”到“1”的突破。相關論文發表在《Nature》上。所以，石墨烯也就有了“新生”。

“材料科學革命”，龐大的2D家族

在介紹二維（2D）材料前，首先要回答“為什么先進制程芯片進入1納米以下，硅材料就不好使了”？隨著半導體材料工藝的推進，更小的器件需要更薄的材料，而材料的厚度有一個物理極限——單原子層。像硅這樣有三維晶體結構的材料被稱為三維材料，三維材料的特性決定了當硅薄到單層或若干層材料時，表面的硅層必須與其他原子成鍵。例如硅與氧原子成鍵之后，硅就變成了氧化硅，從而失去了硅特有的半導體特性。

二維材料不存在這個問題，它在“薄”的層面可謂登峰造極。

在數學或幾何概念里，二維空間往往由長度、寬度兩個要素構成，其厚度為零。但與常識相反，這里討論的二維材料并非指其完全沒有厚度，而是在長、寬、高至少一個維度上的尺度達到原子級尺度（幾個納米或者小于1納米）級別。而且，二維材料在厚度只有一個或者幾個原子的時候，表面都是飽和健，也就是有著“原子級拋光”的完美界面。

那么，二維半導體的究極優勢是什么？隨著芯片中的晶體管尺寸縮小至納米級（如3nm、2nm），半導體材料面臨如何“控制漏電”的關鍵問題。目前FinFET（鰭型柵），GAA（環柵）等先進制程的結構，就是為了把電子/空穴強制在很窄的范圍（幾個納米）內運動，來增加柵電極的控制能力，卻不可避免造成了工藝的極度復雜，而且電子/空穴在硅這種三維材料做成的類二維平面內運動，受到很多干擾，速度大大降低，以至于現在繼續沿著“摩爾定律”進行微縮的性價比越來越低。

復旦大學研究員、原集微科技創始人包文中介紹，二維半導體由于只有“原子級厚度”，只要做一個簡單的頂柵電極，二維溝道的每一處都可以被柵電極良好地控制，從而杜絕了漏電，其完美的無懸掛鍵界面也為電子和空穴的移動提供了一條二維“高速公路”，大大降低功耗。而從制造工藝而言，這垂直方向上的“原子級厚度”，省去了人類千方百計才實現的Fin或者GAA結構。所以二維半導體二維平面內就能以較低的加工難度，實現與硅基先進制程類似的器件性能，這意味著工藝步驟也大幅精簡，制造成本也獲得了數量級降低。此外，二維半導體的物理能帶特性還使其具有比硅基材料更好的微縮潛力。

正是基于諸多優勢，從石墨烯被發現開始，二維材料已逐漸成為一個成員眾多、類別多樣的龐大家族。蓋姆曾透露，“在制備出石墨烯之后不久（2005年），我們也找到了十幾種其他二維材料，同樣只有一個原子或一個分子厚。從那時起，到現在已經找到了數百種二維材料。就材料科學而言，本質上發生了一場革命：不是一個，不是少數，而是一類全新的材料被發現了。”

圖/一些典型的二維材料的晶體結構和性質

除石墨烯外的二維材料還包括：單元素的硅烯、鍺烯、錫烯、硼烯和黑磷等，過渡金屬硫族化合物如MoS2、WSe2、ReS2、PtSe2、NbSe2等，主族金屬硫族化合物如GaS、InSe、SnS、SnS2等，以及其他二維材料如h-BN、CrI3、NiPS3、Bi2O2Se等。上述二維材料具有完全不同的能帶結構以及電學性質，覆蓋從超導體、金屬、半金屬、半導體到絕緣體等材料類型，同時也具有優異的光學、力學、熱學、磁學等性質。

從實驗室走向市場，道阻且長

但并不是所有的二維材料都適用于半導體。為了達成電晶體有效開關電流的目的，二維材料的研究重心逐漸從沒有能隙（band gap）的半金屬石墨烯，轉移至具有能隙的半導體二維材料，例如二硫化鉬（MoS2）、二硫化鎢（WS2）等。

圖/“無極（WUJI）”研究成果發表于《Nature》

據悉，復旦大學、紹芯實驗室的周鵬、包文中團隊日前成功研制的全球首款基于二維半導體材料的32位RISC-V架構微處理器“無極”，就是基于單層二硫化鉬二維半導體材料打造的，實現從材料、架構到流片的全鏈條自主研發，其集成工藝優化程度和規?；娐夫炞C結果，均達到國際同期最優水平。其團隊強調，“無極”只是概念驗證原型，整體性能和目前商用的芯片仍存在一定距離，目前并不具備市場優勢。

周鵬教授介紹，自2010年諾貝爾物理學獎頒發給石墨烯相關研究以來，二維材料領域的研究取得了一系列成果和肯定。譬如，歐洲微電子中心（IMEC）已明確二維半導體為1納米及以下節點的重要材料體系；國際集成電路峰會在2022年6月提出，二維半導體是目前業界唯一公認能夠延續摩爾定律的材料。此外，臺積電、三星、阿斯麥（ASML）等企業和機構開始著力研發二維半導體作為3~5納米節點以后硅的替代方案。

在學術界，二維半導體的開發取得重大進展，包括晶圓級生長、能帶結構工程和器件優化。尤其晶圓級二維材料的生長研究，南京大學、中國科學院物理研究所、北京大學和復旦大學的團隊均在該領域有可喜進展，已經站在了世界的前列。

利用二維材料制作電子器件方面，清華大學團隊已實現0.34納米物理柵長下的二維材料晶體管，北京大學團隊也研制出速度超越硅極限的二維材料晶體管；基于二維半導體集成工藝，目前研究者已可以實現大部分硅基電路功能，下一步目標是利用二維半導體的特性，進一步提高芯片的整體性能。

“對二維半導體的預期不妨寬容些。”包文中認為，硅基半導體從20世紀中期到現在，全世界投入海量資源研發，而硅基集成電路在誕生初期也面臨諸多質疑與挑戰，回望1958年第一塊硅集成電路問世時，業界同樣提出“可靠性存疑”“成本過高”“性能不如分立器件”等尖銳批評。這些情況同樣也發生在其他新材料上，譬如OLED、氧化物半導體、三代半導體（GaN、SiC）等等。今天，二維半導體正站在相似的轉折點上?；仡櫄v史，每一種新材料都會從科研階段過渡到工業界接手，進行工程化量產。二維半導體發展了十多年，學術界和工業界已到了認真考慮如何攜手將二維半導體實現真正工程化應用的時候。

盡管科學家們付出了巨大努力，但二維材料何時能在半導體領域大放異彩，還是一件不可知的事情，要使整個半導體行業采用這種新材料無疑是一個漫長的過程，二維半導體對硅材料“取而代之”尚不可想象。即便到了今天，二維材料還只能在實驗室中小批量生產，其走向工業化的道路仍然十分曲折，且存在諸多難點。包文中強調：“真正限制二維材料發展的不是器件性能，很多實驗室發表的二維器件性能結果都非常好。但為什么產業界始終質疑二維材料的實用性，還是因為缺乏可落地、可規?；?、與產業兼容的集成技術體系。”

就“二維半導體材料實現規模化商業應用還有多遠”這一問題，包文中給出了時間表——近期（1～2年）實現符合半導體產業標準的二維小試工藝線驗證（亞微米尺度溝道，NMOS）；中期（3～5年）實現8英寸二維中試工藝線驗證（100納米尺度溝道，CMOS，三維堆疊），百萬門級芯片的可靠性驗證；遠期（5年以后）12英寸的二維材料小批量量產工藝線投入生產，在低功耗、抗輻射、柔性可穿戴等應用場景真正落地。

參考文章

《二維材料的新機遇》，作者張遠波、阮威等。

《二維材料研究現狀及展望》，作者梁濤，徐明生。