复旦大学周鹏教授评述二维材料晶体管工程化研究

复旦大学集成芯片与系统全国重点实验室、微电子学院周鹏教授团队针对集成电路微缩瓶颈问题，聚焦评论了二维材料晶体管在先进技术节点下的工程化解决方案，并提出了最具潜力的技术路径，为未来二维材料体系实现工程化和产业化提供了借鉴和重要参考。技术综述以“Transistor engineering based on 2D materials in the post-silicon era（后硅时代下的二维材料晶体管工程）”为题于2024年4月30日发表于《自然综述·电子工程》（Nature Reviews Electrical Engineering）。

信息技术的飞速发展是新时代科技进步的原始动力，而集成电路作为现代电子设备的心脏，其性能和集成度一直是推动和延续信息技术快速发展的引擎。历经数十年的发展，硅基集成电路制程与制造技术已经取得了显著进展，根据摩尔定律进行的器件微缩是半导体行业在高性能和低成本方向上取得空前进步的主要手段。然而，由于短沟道效应的存在以及硅基材料在超薄厚度下的物理性能退化，传统硅基半导体体系下的晶体管微缩已经接近尾声，目前产业界与学术界都在共同寻找未来技术节点下的新型材料体系，以解决晶体管在持续微缩中面临严峻的挑战。

图1. 二维材料与硅基体系下晶体管工艺工程技术对比

二维材料是新兴的材料体系之一，其优秀的晶体结构使其在单原子层厚度下依然保持有良好的物理性能，意味着其具备进一步微缩的空间。这一本质上的特性驱动了国内外产业界和研究机构开展了大量二维材料体系下的新型器件研究，迄今为止，二维材料在低功耗晶体管、超快逻辑计算、新型高性能闪存以及光电器件等领域都展现了巨大的发展潜力。最新的二维材料工作已经在实验室中展现了可比拟乃至超越传统硅基晶体管的性能，然而如何实现“实验室到工厂（Lab to Fab）”的跨越目前却依旧存在诸多问题，这些问题主要集中于器件的工程化设计和制造流程。

对于晶体管而言，沟道、接触和介质是三大组成部分，从硅晶体管到二维材料晶体管，完整的工艺工程优化都必须实现三者的有机整合。然而，由于二维材料与硅在结构上存在显著差异，不同材料体系下的晶体管的制造存在一定程度的区别，这也是大规模二维材料集成电路研究进展缓慢的原因之一。在本论文中，作者通过对研究技术的纵览，针对二维材料的结构特点，从沟道工程、接触工程和介质工程三个角度综述了二维材料进入产业化和工程化的研究现状和挑战，通过结合现有的硅基半导体工艺基础，充分讨论了二维材料体系下针对不同工程问题的可行解决方案。此外，本综述指出我国在以新材料为基础的高性能器件研究和工程化开发中已处于领先地位，并且科研力量充足、研究方向全面，在保持研究力度和研发投入的基础上，国内二维材料的工程化研究将非常有机会占据国际主导地位。