近期，南京大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院王欣然教授課題組，同天馬微電子股份有限公司等單位合作，研究突破了二維半導(dǎo)體單晶制備和異質(zhì)集成關(guān)鍵技術(shù)，為未來Micro-LED顯示技術(shù)發(fā)展提供了全新技術(shù)路線。同時(shí)，二維半導(dǎo)體從水平和垂直兩個維度，為延續(xù)摩爾定律提供了可能的技術(shù)方向，對推動半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有重要意義。

從水平和垂直兩個維度延續(xù)摩爾定律

此前，臺積電在1nm技術(shù)中實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵突破，引來了業(yè)內(nèi)的廣泛關(guān)注。據(jù)了解，此次關(guān)鍵技術(shù)突破，在于利用半金屬鉍(Bi)作為二維材料的接觸電極，可大幅降低電阻并提高電流，使其效能幾與硅一致，有助實(shí)現(xiàn)未來半導(dǎo)體1nm的挑戰(zhàn)。這也使得二維半導(dǎo)體技術(shù)再次映入了人們的眼簾。在突破1nm技術(shù)上，二維半導(dǎo)體技術(shù)也得到了晶圓代工巨頭臺積電的認(rèn)可。如今，二維半導(dǎo)體技術(shù)被視為延續(xù)摩爾定律的重要技術(shù)之一。

南京大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院教授王欣然向記者介紹，未來二維半導(dǎo)體可能會從水平和垂直兩個維度延續(xù)摩爾定律，這主要是得益于二維半導(dǎo)體的薄以及可垂直堆疊的特征。

王欣然介紹，首先，單層二維半導(dǎo)體最為顯著的特點(diǎn)便是薄，最低可以薄至一個原子的厚度，這也是自然界中的厚度極限。這種薄帶來的最大優(yōu)勢便是在更先進(jìn)的技術(shù)節(jié)點(diǎn)下，比如1nm芯片中，二維半導(dǎo)體芯片并不會出現(xiàn)諸如硅基芯片那樣的功耗問題，進(jìn)而在硅基半導(dǎo)體達(dá)到物理極限之后，二維半導(dǎo)體技術(shù)還能保證集成電路技術(shù)繼續(xù)按照摩爾先生的預(yù)測維持成本、提升性能。

其次，二維半導(dǎo)體另一個顯著特點(diǎn)是可以垂直堆疊，堆疊的好處是在同樣的面積下，盡管器件尺寸已不能再縮減，但可以利用垂直空間做更多器件，同樣可以實(shí)現(xiàn)集成度和性能提升，這也是延續(xù)摩爾定律的一個思路。“其實(shí)傳統(tǒng)的半導(dǎo)體也可以堆疊，但是這些材料的制備需要經(jīng)過高溫，往往上層的高溫工藝會毀掉下層，而二維半導(dǎo)體的堆疊是在低溫下實(shí)現(xiàn)的，上一層器件的制備并不會損傷下層做好電路。”王欣然向記者表示。

可能給顯示領(lǐng)域帶來顛覆性突破

天馬微電子股份有限公司創(chuàng)新中心副總經(jīng)理秦鋒認(rèn)為，此次南京大學(xué)在二維半導(dǎo)體關(guān)鍵技術(shù)上的突破，給了顯示行業(yè)一把打開新型領(lǐng)域大門的鑰匙。他認(rèn)為，在此次研究中，二維半導(dǎo)體薄膜晶體管突破了傳統(tǒng)半導(dǎo)體驅(qū)動電路的性能瓶頸，使得Micro-LED顯示器能夠同時(shí)兼具高分辨率、高亮度、高響應(yīng)速度的特點(diǎn)，可滿足超高分辨率下微顯示的需求。

“我們注意到二維半導(dǎo)體具有極高的柔性與透明度，這可能將給未來顯示帶來顛覆性的產(chǎn)品，例如，現(xiàn)在的曲面屏僅僅能實(shí)現(xiàn)局部的彎曲，如果使用二維半導(dǎo)體驅(qū)動，也許未來我們能像折紙一樣將屏幕折疊起來。此外，此項(xiàng)研究還突破了新的二維半導(dǎo)體3D集成技術(shù)，這項(xiàng)技術(shù)相較于Micro-LED如今的主流技術(shù)而言，有可能帶來成本的大幅度下降，對于Micro-LED向消費(fèi)級市場推廣意義深遠(yuǎn)。” 秦鋒對記者說。

復(fù)旦大學(xué)微電子學(xué)院副院長周鵬向記者介紹，此次南京大學(xué)團(tuán)隊(duì)在技術(shù)上的突破，主要在于通過改變藍(lán)寶石表面原子臺階的方向，人工構(gòu)筑了 “原子梯田”成核位點(diǎn)，首次實(shí)現(xiàn)了2英寸二維單晶薄膜的外延生長，基于該外延材料制備的晶體管成為國際上報(bào)道的最高綜合性能之一。該技術(shù)具有良好的普適性，為二維半導(dǎo)體在集成電路領(lǐng)域的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

據(jù)了解，大面積單晶材料的突破，為二維半導(dǎo)體走向應(yīng)用提供了機(jī)會，南京大學(xué)團(tuán)隊(duì)基于第三代半導(dǎo)體研究的多年積累，結(jié)合最新的二維半導(dǎo)體單晶方案，提出了基于MoS2薄膜晶體管驅(qū)動電路、單片集成的超高分辨Micro-LED顯示技術(shù)方案。

“從硅基芯片的發(fā)展我們便已知道，單晶生長是半導(dǎo)體集成電路最基本的要求，而二維半導(dǎo)體單晶的生長是困擾產(chǎn)學(xué)研界很久的難題。因此，我們從底層、微觀的單晶成核生長機(jī)制入手進(jìn)行研究，對單晶生長理論進(jìn)行了突破，在實(shí)驗(yàn)室層面上進(jìn)行了驗(yàn)證的同時(shí)，也為單晶材料制備指明了發(fā)展方向，為未來走向應(yīng)用鋪平了道路。而二維半導(dǎo)體技術(shù)在顯示的應(yīng)用，則展示了二維半導(dǎo)體在后端集成、3D集成兩個備受關(guān)注的方向的巨大潛力，同時(shí)也是因?yàn)閮�備了單晶生長這一方向的關(guān)鍵技術(shù)。”王欣然向記者說道。

不在于取代硅而是成為硅技術(shù)的補(bǔ)充

盡管二維半導(dǎo)體技術(shù)正在如火如荼地發(fā)展，但是在技術(shù)方面依舊存在著諸多瓶頸有待突破，距離二維半導(dǎo)體的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用仍待時(shí)日。

據(jù)王欣然介紹，得益于全世界研究人員的勤奮努力，二維半導(dǎo)體僅用了十年便取得了飛躍式的發(fā)展，無論是材料、器件，還是集成電路本身，均起到了推動發(fā)展的作用。但是，挑戰(zhàn)也同樣存在于各個層面，例如，從材料角度而言，南京大學(xué)這次實(shí)現(xiàn)了2英寸單晶的生長，為更大尺寸單晶指明了方向，但目前硅單晶晶圓已經(jīng)做到了12英寸甚至更大，二維半導(dǎo)體在這方面仍相距甚遠(yuǎn)。

此外，器件尺寸距離預(yù)期的1nm節(jié)點(diǎn)所需要的性能、均一性、可靠性仍存在巨大差距，器件模型、結(jié)構(gòu)、工藝也沒有形成確定方案。二維材料集成電路設(shè)計(jì)、架構(gòu)設(shè)計(jì)以及原型芯片演示依舊停留在較為初期的階段。

“畢竟硅基半導(dǎo)體目前還是在技術(shù)金字塔頂端，并且在未來3—5年內(nèi)硅基半導(dǎo)體通過材料、結(jié)構(gòu)、架構(gòu)優(yōu)化依舊有較大的提升空間，因此目前硅基依舊占據(jù)著性能、功耗、尺寸等全方位優(yōu)勢，這也降低了產(chǎn)業(yè)界的迫切性。同時(shí)，硅基的極限也已經(jīng)被產(chǎn)業(yè)界普遍認(rèn)可，這也是最近一兩年包括Intel、臺積電等業(yè)界巨頭紛紛開始二維半導(dǎo)體研究的重要原因。”王欣然向記者表示。

此外，周鵬認(rèn)為，二維半導(dǎo)體的機(jī)遇并不在于取代硅，而是在于成為硅技術(shù)的補(bǔ)充。“長期以來，當(dāng)下的硅基微電子工藝已經(jīng)有了的巨大投入和長時(shí)間的發(fā)展，才走向了成熟，而二維半導(dǎo)體所需要諸多的非常規(guī)工藝，在可預(yù)見的未來，二維半導(dǎo)體不可能完全取代硅，而二維半導(dǎo)體的機(jī)會應(yīng)該在于作為硅技術(shù)的補(bǔ)充技術(shù)，用于緩解硅基器件面臨的挑戰(zhàn)。”周鵬告訴記者說。

(關(guān)鍵字：半導(dǎo)體)