下一代半導體：二維材料未來7年路線圖

在過去十年中，過渡金屬二硫化物 (TMD) 和石墨烯已成為二維材料中最重要的元素之一，有助于克服硅基技術的局限性。TMD 和石墨烯提供了創(chuàng)新的晶體管設計和功能方法。它們實現(xiàn)了原子級厚度的通道晶體管和單片 3D 集成，標志著信息技術的新時代。

臺積電、英特爾和 IMEC 等大型公司在 2D 材料研究和集成方面投入了大量資金。這標志著從實驗室到工業(yè)規(guī)模應用的轉(zhuǎn)變。毫無疑問，2D 材料將推動未來設備性能和系統(tǒng)增強方面的創(chuàng)新。

二維材料從研究到工業(yè)應用的轉(zhuǎn)變帶來了各種挑戰(zhàn)。中國頂尖學者最近制定了基于二維材料的信息技術路線圖。在這里，我們結(jié)合他們的觀點和 PreScouter 的見解，介紹了二維材料在工業(yè)應用方面的當前進展和未來的潛在趨勢。

什么是 2D 材料？

2D 材料非常薄，通常只有一個或幾個原子厚。它們具有高電導率和出色的機械強度。此外，2D 材料具有高度的靈活性和光學透明性。這些材料具有出色的熱導率和半導體特性，并具有可調(diào)帶隙的額外優(yōu)勢。它們的化學穩(wěn)定性可確保各種應用中的可靠性和耐用性。

這些特性使得 2D 材料在制造下一代微型、先進電子和光器件方面前景廣闊。TMD 和硼烯就是 2D 材料的一些例子。

二維材料與摩爾定律有何關系？

過渡金屬二硫?qū)倩镏挥袔讉€原子厚，具有優(yōu)異的物理特性。這些材料對于突破硅以外的摩爾定律界限至關重要。

摩爾定律預測，芯片上的晶體管數(shù)量大約每兩年就會翻一番。這推動了電子產(chǎn)品的快速增長和小型化。然而，硅在制造微型和高效晶體管方面已達到物理極限。

TMD 為這個問題提供了解決方案。它們的超薄結(jié)構(gòu)允許制造更小、更高效的電子設備。通過使用 TMD，研究人員和工程師可以繼續(xù)縮小晶體管尺寸。這允許將更多晶體管封裝到單個芯片中，從而延長摩爾定律預測的進度。

這些特性使得 TMD 對于開發(fā)更快、更強大、更高效的下一代先進電子產(chǎn)品至關重要。

二維材料是如何制成的？

制備二維材料的方法多種多樣?；瘜W氣相沉積 (CVD) 和金屬有機化學氣相沉積 (MOCVD) 是生產(chǎn)高質(zhì)量晶圓級二維材料的主要方法。這些方法可以控制二維材料的生長，使其具有理想的性能。這種控制對于將其集成到電子和光電設備中至關重要。

雖然當前的流程已經(jīng)明確，但工業(yè)規(guī)模的生產(chǎn)需要新的設備和創(chuàng)新的設計來推動該領域的發(fā)展。

二維材料工業(yè)應用路線圖：

本節(jié)概述了擴大 2D 材料工業(yè)應用的必要步驟。這里，我們提出了提高精度和增加生產(chǎn)能力的策略。

1. 精準擴大規(guī)模

該技術路線圖強調(diào)需要擴大高精度二維材料的生產(chǎn)規(guī)模，包括開發(fā)更大的單晶圓，例如 2 英寸 n 型單晶圓的進展。

然而，控制材料缺陷以及使硅的性能與 p/n 型材料相匹配是關鍵挑戰(zhàn)。未來的發(fā)展目標是實現(xiàn)更大的單晶，并精確控制缺陷。

外延生長技術的最新進展使得制造 12 英寸多晶材料成為可能。此前，最先進的技術主要涉及生產(chǎn)尺寸較小的晶圓，單晶質(zhì)量的均勻性和一致性較差。兩項獨立研究表明，金屬有機化學氣相沉積可以生長 12 英寸單晶 MoS2 單層。該工藝采用石英噴嘴引導前體輸送方法。此外，還開發(fā)了一種模塊化生長策略，用于批量生產(chǎn)晶圓級過渡金屬二硫?qū)倩?。該工藝允許制造 2 英寸晶圓，每批最多可生產(chǎn) 15 片。它還創(chuàng)下了 12 英寸晶圓尺寸的記錄，每批產(chǎn)能為 3 片。

此前，生產(chǎn)能力和晶圓尺寸相當小，產(chǎn)量較低，缺陷率較高。這些進步提高了生產(chǎn)的晶圓的規(guī)模和質(zhì)量，提高了生產(chǎn)效率。這為二維材料在先進電子和光子器件中更廣泛和實際的應用鋪平了道路。

這些發(fā)展對于集成電路應用至關重要，因為集成電路應用需要具有低缺陷密度和高均勻性的材料。目前正致力于實現(xiàn) p 型和 n 型材料的單晶圓，使平面內(nèi)缺陷密度降低至 1010 cm-2。這種對精確縮放的關注對于提高基于 2D 材料的設備的性能和可靠性至關重要。

當前挑戰(zhàn)：

• 控制材料缺陷。

• 實現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)的統(tǒng)一性。

• 在 p/n 型應用中，硅和 2D 材料的性能不匹配。

應對挑戰(zhàn)：

• 需要先進的外延生長技術和創(chuàng)新的制造工藝。

• 必須進一步發(fā)展精密縮放和缺陷控制技術。

• 協(xié)作研究努力和行業(yè)標準合規(guī)至關重要。

當前狀態(tài)和 TRL：

該技術處于 TRL 4-5 階段，基本功能已在實驗室和受控環(huán)境中得到展示。預計未來 2-3 年內(nèi)將取得重大進展，隨著精度和可擴展性的提高，將邁向更高的 TRL。

2. 通過人工智能增強原子位置和缺陷的可視化

二維材料的表征技術已達到亞原子分辨率水平。其中包括像差校正高分辨率透射電子顯微鏡和掃描透射電子顯微鏡等進步，包括疊層掃描 STEM。這共同增強了原子位置和缺陷的可視化。

將人工智能工具集成到這些流程中對于制定標準化和精細化的評估標準至關重要。人工智能提高了分析實驗元數(shù)據(jù)的準確性和效率。它使材料表征更加可靠和簡化。

此外，AI 還有助于在制造過程中進行現(xiàn)場和在線表征。這可以實現(xiàn)實時評估，快速識別缺陷并提高產(chǎn)量和技術工作流程。

隨著基于 2D 材料的晶圓級芯片成為硅技術的競爭對手，人工智能驅(qū)動的質(zhì)量評估技術尤為重要。這些技術可確?？焖?、自動化、無創(chuàng)地檢查設備。它們可保持質(zhì)量標準并探索操作極限和故障機制。

當前挑戰(zhàn)：

• 制定標準化、精細化的二維材料表征評估標準。

• 缺乏用于人工智能訓練的復雜算法和大型數(shù)據(jù)集。

應對挑戰(zhàn)：

• 建立全面的數(shù)據(jù)集并改進的機器學習模型。

• 人工智能研究人員和材料科學家之間的合作。

當前狀態(tài)和 TRL ：

該技術目前處于 TRL 3-4 階段，其中已建立概念驗證并測試了初始集成。預計未來 3-5 年內(nèi) AI 集成將取得重大進展。

3. 電子器件：后段與前段的協(xié)同

2D 半導體器件的性能指標正在向與硅基器件相媲美的方向發(fā)展。重點是高 k/金屬柵極集成和可控摻雜等基礎技術。性能、功耗和面積優(yōu)化方面的改進是主要目標。結(jié)合后端 (BEOL) 和前端 (FEOL) 工藝將推動這些改進。

但是，為什么在 BEOL 和 FEOL 工藝中集成 2D 半導體很重要？

將 2D 材料整合到芯片背面的功率門控設備中可以提高性能，而無需極紫外光刻。歐姆接觸技術和摻雜控制的進步對于高性能設備至關重要。這些設備可以集成到成熟的硅節(jié)點中以降低功耗。這種方法將有助于滿足先進技術節(jié)點（例如亞 1 納米節(jié)點）的需求。

當前挑戰(zhàn)：

• 實現(xiàn)可靠的摻雜控制。

• 集成高 k/金屬柵極。

• 確保 BEOL 和 FEOL 工藝之間的兼容性。

應對挑戰(zhàn)：

• 精煉摻雜技術。

• 開發(fā)高 k/金屬柵極的新材料。

• 增強流程整合。

當前狀態(tài)和 TRL：

該技術處于 TRL 4-5 階段，已展示出關鍵組件并實現(xiàn)部分集成。預計在未來 3-5 年內(nèi)實現(xiàn)全面功能集成。

4. 熱管理和互連

有效的熱管理和減少電阻電容延遲至關重要。利用介電常數(shù)較低的材料并集成六方氮化硼和石墨烯等二維材料將提高器件的性能和可靠性。這些材料有望改善熱管理并最大限度地減少半導體器件的延遲。

多晶和非晶 BN (a-BN) 作為熱管理解決方案的潛力巨大。這些材料可以降低工作溫度，并有助于提高設備性能和耐用性。

例如，h-BN 可以充當熱散射粘合層。它降低了工作溫度并提高了設備性能。石墨烯具有出色的導電性和抑制表面散射效應的能力。這使得它成為降低互連電阻和提高半導體器件壽命的有前途的材料。隨著尺寸縮小和操作需求增加，這些創(chuàng)新對于保持設備性能至關重要。

當前挑戰(zhàn)：

• 將 h-BN 和石墨烯集成到現(xiàn)有的半導體工藝中。

• 確保集成材料在運行條件下的穩(wěn)定性和可靠性。

應對挑戰(zhàn)：

• 需要進行更多研究來開發(fā)將 h-BN 和石墨烯集成到半導體工藝中的方法。

• 需要進行廣泛的測試以確保長期穩(wěn)定性和性能

當前狀態(tài)和 TRL：

該技術處于 TRL 3-4 級，已在實驗室環(huán)境中進行了實驗驗證。隨著集成方法的改進和可靠性的建立，預計在未來 3-4 年內(nèi)將達到更高的 TRL。

5. 集成電路和 3D 集成

基于二維半導體的集成電路的未來將轉(zhuǎn)向三維集成。這種方法利用二維半導體的優(yōu)勢進行單片三維異質(zhì)集成。它提高了芯片級的能效和功能性。這一轉(zhuǎn)變將使更緊湊、更高效的三維集成電路成為可能。

3D 集成技術的進步主要集中在利用 2D 半導體與硅基 CMOS 電路的后端 (BEOL) 集成。該策略有望提高芯片級能效并擴展硅基芯片的功能。例如，與 CMOS 電路集成的 2D 半導體存儲器和傳感器可以提高整體芯片性能。這使其成為開發(fā)高性能、節(jié)能集成電路的關鍵途徑。

當前挑戰(zhàn)：

• 開發(fā)可靠的二維材料堆疊工藝。

• 確保 3D 結(jié)構(gòu)中的高效熱管理。

應對挑戰(zhàn)：

• 粘合技術、熱管理解決方案和工藝集成方面的更多創(chuàng)新。

• 研究高效散熱的新材料和方法至關重要。

當前狀態(tài)和 TRL：

該技術處于 TRL 3-4 階段，初步演示了 3D 集成。堆疊和熱管理方面的進步預計將在未來 4-5 年內(nèi)將其推至 TRL 5-6 階段

6. 光電集成

光電集成有望成為高通量信息技術的關鍵方向。合成大規(guī)模、高質(zhì)量單晶和開發(fā)多功能集成器件的進步至關重要。這種集成將為支持各種應用的更高效的光電技術鋪平道路。

目前的研究重點是大面積單晶的合成，并致力于開發(fā)基于這些單晶材料的高性能、多功能光電器件。

例如，實現(xiàn)高發(fā)光效率和擴大光電器件的工作波長范圍是關鍵的里程碑。這些進步將支持光通信系統(tǒng)、成像技術和量子信息處理中的應用。最終，這將拓寬應用范圍并提高光電技術的整體性能。

當前挑戰(zhàn)：

• 實現(xiàn)高質(zhì)量、大尺寸單晶

• 開發(fā)性能一致的多功能集成設備

應對挑戰(zhàn)：

• 大面積單晶的先進合成技術

• 改進設備制造工藝。

當前狀態(tài)和 TRL ：

該技術目前處于 TRL 3-4 階段，在實驗室規(guī)模合成和器件開發(fā)方面取得了重大進展。隨著合成和集成技術的成熟，預計在未來 3-4 年內(nèi)將發(fā)展到 TRL 5-6 階段。

2D 材料何時才能對工業(yè)產(chǎn)生意義？

2D 材料對于信息技術的未來至關重要。這些材料的獨特性質(zhì)使設備性能和系統(tǒng)集成取得了突破。對于行業(yè)而言，及時了解這些進步對于保持競爭優(yōu)勢至關重要。

2D 材料已在商業(yè)上投入使用。例如，石墨烯用于加熱和熱管理的散熱膜，并用于智能手機。這些薄膜由 Sixth Element 等公司生產(chǎn)，以其出色的導熱性而聞名，即使在較大厚度水平下也能保持穩(wěn)定。

Grapheal 公司利用石墨烯開發(fā)可穿戴和一次性生物傳感器，可實現(xiàn)持續(xù)監(jiān)測和現(xiàn)場診斷。石墨烯的特性使其能夠靈敏、快速地檢測生物信號。這對于可穿戴健康監(jiān)測設備和現(xiàn)場診斷工具至關重要。

Varta Micro Innovation 和 Graphene Flagship 項目表明，在硅基鋰離子電池中添加少量石墨烯可以顯著提高其性能。石墨烯提供導電且穩(wěn)定的基質(zhì)，可減輕硅在充電和放電循環(huán)過程中的顯著體積膨脹。這一進展使電池的容量比目前的替代品高出 30%。它還有助于電池在超過 300 次充電放電循環(huán)中保持性能。

短期內(nèi)（1-3 年），研發(fā)可能會繼續(xù)進行。半導體和光電子行業(yè)的早期采用者將開始在利基應用中實施 2D 材料。

隨著制造技術的進步和成本的下降，中期（3-7 年）二維材料將得到更廣泛的應用。更多行業(yè)（如儲能和柔性電子）將在其產(chǎn)品中采用二維材料。

然而，業(yè)界可能會逐漸將目光投向長期（超過 7 年），屆時 2D 材料將成為許多高性能和下一代設備的標準組件。在此期間，2D 材料的潛力可能會得到充分發(fā)揮，從而推動技術和行業(yè)的重大進步。