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二維半導體離產業(yè)化還有多遠？
近年來，二維半導體的應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體。同時，我們也認識到，二維半導體距離產業(yè)化還有相當長的一段路程，在當前的技術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體的發(fā)展過程，總結了其在產業(yè)化的過程中面臨的挑戰(zhàn)，并對該材料的產業(yè)化應用進行了討論。
一、二維半導體的研究獲得了蓬勃發(fā)展
2004年，兩位俄裔英國科學家（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、導熱系數高、高遷移率、超薄透明、柔性可卷曲等優(yōu)點，這一發(fā)現掀起了人們對二維材料研究的熱情。尤其在半導體領域，我們希望利用這一新型的二維結構，開發(fā)出更豐富的應用場景，同時給行將終結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構的、具有合適帶隙的二維半導體材料。經過多年的研究積累，研究者們發(fā)現了數十種二維半導體材料，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體材料。圖中由箭頭連接的兩類元素可以構成二維半導體化合物，沒有箭頭連接的元素則是單晶二維半導體。此外，氮化硼（BN）并不是半導體，但它是一種非常重要的二維絕緣體材料，在二維半導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、基于二維半導體材料的基礎研究已趨近完善
近年來，隨著眾多研究者投入二維半導體這一領域，二維半導體材料的眾多性質已經基本被掌握，數十萬計的研究成果被發(fā)表，人們對二維半導體的合成、摻雜、能帶結構、晶格結構、界面效應、光電特性等一系列物理化學效應的研究已日趨完善。在此基礎上，研究者們開發(fā)了多種基于二維半導體的應用器件/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：基于二維半導體的應用研究
在眾多應用場景中，二維半導體都有不俗的表現，展現了其作為硅基材料的有力替代者的潛力。采用二維半導體的場效應晶體管，有望將其溝道長度縮小至2nm。此外，二維半導體在異質集成、三維集成等領域也具有較好的發(fā)展前景。斯坦福大學的研究小組基于碳納米管和二維半導體材料已經開發(fā)出了一種新型的三維集成技術：N3XT，并成功制備出了電路樣品。
三、二維半導體的瓶頸
我們看到，二維半導體在多種應用場景中表現出了巨大的發(fā)展?jié)摿?。但二維半導體距離實際應用還存在著相當長的一段距離。在當前的技術路徑中，還存在著一些瓶頸問題，我們對這些問題進行了梳理：
圖：二維半導體的技術瓶頸
1、二維半導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面積的半導體單晶。在二維半導體的制備過程中，一般通過CVD、ALD等設備沉積大面積二維半導體薄膜，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體的層數，而層數的不同會顯著影響薄層二維半導體的電學性能。
2.二維半導體材料容易剝離。 二維半導體材料的層間結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，在二維半導體的流片過程中，受到超聲、沖洗、熱應力釋放等作用的影響，其相應器件也容易剝離掉，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)。
3.二維半導體材料的界面干擾問題。 二維半導體具有獨立的二維結構，不與相鄰材料形成化學鍵。在器件制備過程中，難以穩(wěn)定地控制金屬/半導體的接觸電阻；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特性，也就難以保證集成電路的工作性能。我們注意到，已經有部分研究者提出了較好的解決方案，如湖南大學的研究團隊通過氮化硼插層構建載流子隧穿結，并得到了較低的接觸電阻。
四、二維半導體離產業(yè)化還有多遠？
毫無疑問，二維半導體是具備產業(yè)化潛力的，但要在傳感器、集成電路等領域實現二維半導體的產業(yè)化，至少還需要以下條件的支持：
1.顛覆性的工藝技術。 當前的二維半導體研究，基本借鑒了硅工藝中常用的技術手段?？紤]到二維半導體獨特的物理結構，有必要針對性地開發(fā)新的工藝技術，突破二維半導體的制備、流片過程中存在的一系列技術瓶頸，根本性地解決二維半導體器件/電路的可靠性問題。
2.形成通用的工藝標準，可靠的IP模組。 當前的二維半導體仍處于基礎研究階段，沒有統(tǒng)一的技術標準，魚龍混雜。對于現有的器件模組，難以轉移到標準的工藝產線上來。我們必須將二維半導體工藝中特殊的工藝參數標準化，否則難以確保二維半導體模塊的工藝良率，也就無法大規(guī)模量產。
3.科研工作者與產業(yè)界的緊密合作。 要將實驗室中已有的理論成果轉移到產業(yè)界，科研工作者與產線工程師必須進行緊密的技術合作。一個良好的中試平臺，將極大地促進二維半導體技術標準的形成，同時也會更加全面地評估二維半導體產品的成本、性能和市場規(guī)模，為后期產業(yè)化做好必要準備。
可以預見，起碼在近十年中，二維半導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體是否會勝出。但與此同時，我們也應該注意到，顛覆性技術的出現往往會重新書寫整個半導體領域的格局。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的；在數十年前MOS技術沒有成熟的時候， BJT才是集成電路的主角。
2018-10-13 來源：半導體行業(yè)觀察
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