我国在二维半导体领域取得重大突破

 

 

近期,南京大学电子科学与工程学院王欣然教授课题组,同天马微电子股份有限公司等单位合作,研究突破了二维半导体单晶制备和异质集成关键技术,为未来Micro-LED显示技术发展提供了全新技术路线。同时,二维半导体从水平和垂直两个维度,为延续摩尔定律提供了可能的技术方向,对推动半导体产业发展具有重要意义。

 

从水平和垂直两个维度延续摩尔定律
此前,台积电在1nm技术中实现关键突破,引来了业内的广泛关注。据了解,此次关键技术突破,在于利用半金属铋(Bi)作为二维材料的接触电极,可大幅降低电阻并提高电流,使其效能几与硅一致,有助实现未来半导体1nm的挑战。这也使得二维半导体技术再次映入了人们的眼帘。在突破1nm技术上,二维半导体技术也得到了晶圆代工巨头台积电的认可。如今,二维半导体技术被视为延续摩尔定律的重要技术之一。

 

南京大学电子科学与工程学院教授王欣然向《中国电子报》记者介绍,未来二维半导体可能会从水平和垂直两个维度延续摩尔定律,这主要是得益于二维半导体的薄以及可垂直堆叠的特征。

 

王欣然介绍,首先,单层二维半导体最为显著的特点便是薄,最低可以薄至一个原子的厚度,这也是自然界中的厚度极限。这种薄带来的最大优势便是在更先进的技术节点下,比如1nm芯片中,二维半导体芯片并不会出现诸如硅基芯片那样的功耗问题,进而在硅基半导体达到物理极限之后,二维半导体技术还能保证集成电路技术继续按照摩尔先生的预测维持成本、提升性能。

 

其次,二维半导体另一个显著特点是可以垂直堆叠,堆叠的好处是在同样的面积下,尽管器件尺寸已不能再缩减,但可以利用垂直空间做更多器件,同样可以实现集成度和性能提升,这也是延续摩尔定律的一个思路。“其实传统的半导体也可以堆叠,但是这些材料的制备需要经过高温,往往上层的高温工艺会毁掉下层,而二维半导体的堆叠是在低温下实现的,上一层器件的制备并不会损伤下层做好电路。”王欣然向《中国电子报》记者表示。

 

可能给显示领域带来颠覆性突破
天马微电子股份有限公司创新中心副总经理秦锋认为,此次南京大学在二维半导体关键技术上的突破,给了显示行业一把打开新型领域大门的钥匙。他认为,在此次研究中,二维半导体薄膜晶体管突破了传统半导体驱动电路的性能瓶颈,使得Micro-LED显示器能够同时兼具高分辨率、高亮度、高响应速度的特点,可满足超高分辨率下微显示的需求。

 

“我们注意到二维半导体具有极高的柔性与透明度,这可能将给未来显示带来颠覆性的产品,例如,现在的曲面屏仅仅能实现局部的弯曲,如果使用二维半导体驱动,也许未来我们能像折纸一样将屏幕折叠起来。此外,此项研究还突破了新的二维半导体3D集成技术,这项技术相较于Micro-LED如今的主流技术而言,有可能带来成本的大幅度下降,对于Micro-LED向消费级市场推广意义深远。” 秦锋对《中国电子报》记者说。

 

复旦大学微电子学院副院长周鹏向《中国电子报》记者介绍,此次南京大学团队在技术上的突破,主要在于通过改变蓝宝石表面原子台阶的方向,人工构筑了 “原子梯田”成核位点,首次实现了2英寸二维单晶薄膜的外延生长,基于该外延材料制备的晶体管成为国际上报道的最高综合性能之一。该技术具有良好的普适性,为二维半导体在集成电路领域的应用奠定了基础。
据了解,大面积单晶材料的突破,为二维半导体走向应用提供了机会,南京大学团队基于第三代半导体研究的多年积累,结合最新的二维半导体单晶方案,提出了基于MoS2薄膜晶体管驱动电路、单片集成的超高分辨Micro-LED显示技术方案。
“从硅基芯片的发展我们便已知道,单晶生长是半导体集成电路最基本的要求,而二维半导体单晶的生长是困扰产学研界很久的难题。因此,我们从底层、微观的单晶成核生长机制入手进行研究,对单晶生长理论进行了突破,在实验室层面上进行了验证的同时,也为单晶材料制备指明了发展方向,为未来走向应用铺平了道路。而二维半导体技术在显示的应用,则展示了二维半导体在后端集成、3D集成两个备受关注的方向的巨大潜力,同时也是因为储备了单晶生长这一方向的关键技术。”王欣然向《中国电子报》记者说道。

 

不在于取代硅而是成为硅技术的补充
尽管二维半导体技术正在如火如荼地发展,但是在技术方面依旧存在着诸多瓶颈有待突破,距离二维半导体的产业化应用仍待时日。

 

据王欣然介绍,得益于全世界研究人员的勤奋努力,二维半导体仅用了十年便取得了飞跃式的发展,无论是材料、器件,还是集成电路本身,均起到了推动发展的作用。但是,挑战也同样存在于各个层面,例如,从材料角度而言,南京大学这次实现了2英寸单晶的生长,为更大尺寸单晶指明了方向,但目前硅单晶晶圆已经做到了12英寸甚至更大,二维半导体在这方面仍相距甚远。

 

此外,器件尺寸距离预期的1nm节点所需要的性能、均一性、可靠性仍存在巨大差距,器件模型、结构、工艺也没有形成确定方案。二维材料集成电路设计、架构设计以及原型芯片演示依旧停留在较为初期的阶段。
“毕竟硅基半导体目前还是在技术金字塔顶端,并且在未来3—5年内硅基半导体通过材料、结构、架构优化依旧有较大的提升空间,因此目前硅基依旧占据着性能、功耗、尺寸等全方位优势,这也降低了产业界的迫切性。同时,硅基的极限也已经被产业界普遍认可,这也是最近一两年包括Intel、台积电等业界巨头纷纷开始二维半导体研究的重要原因。”王欣然向《中国电子报》记者表示。

 

此外,周鹏认为,二维半导体的机遇并不在于取代硅,而是在于成为硅技术的补充。“长期以来,当下的硅基微电子工艺已经有了的巨大投入和长时间的发展,才走向了成熟,而二维半导体所需要诸多的非常规工艺,在可预见的未来,二维半导体不可能完全取代硅,而二维半导体的机会应该在于作为硅技术的补充技术,用于缓解硅基器件面临的挑战。”周鹏告诉《中国电子报》记者说。
 

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