下一代半导体：二维材料未来7年路线图
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在过去十年中，过渡金属二硫化物 (TMD) 和石墨烯已成为二维材料中最重要的元素之一，有助于克服硅基技术的局限性。TMD 和石墨烯提供了创新的晶体管设计和功能方法。它们实现了原子级厚度的通道晶体管和单片 3D 集成，标志着信息技术的新时代。
本文引用地址：//m.amcfsurvey.com/article/202407/460803.htm台积电、英特尔和 IMEC 等大型公司在 2D 材料研究和集成方面投入了大量资金。这标志着从实验室到工业规模应用的转变。毫无疑问，2D 材料将推动未来设备性能和系统增强方面的创新。
二维材料从研究到工业应用的转变带来了各种挑战。中国顶尖学者最近制定了基于二维材料的信息技术路线图。在这里，我们结合他们的观点和 PreScouter 的见解，介绍了二维材料在工业应用方面的当前进展和未来的潜在趋势。
什么是 2D 材料？
2D 材料非常薄，通常只有一个或几个原子厚。它们具有高电导率和出色的机械强度。此外，2D 材料具有高度的灵活性和光学透明性。这些材料具有出色的热导率和半导体特性，并具有可调带隙的额外优势。它们的化学稳定性可确保各种应用中的可靠性和耐用性。
这些特性使得 2D 材料在制造下一代微型、先进电子和光器件方面前景广阔。TMD 和硼烯就是 2D 材料的一些例子。
二维材料与摩尔定律有何关系？
过渡金属二硫属化物只有几个原子厚，具有优异的物理特性。这些材料对于突破硅以外的摩尔定律界限至关重要。
摩尔定律预测，芯片上的晶体管数量大约每两年就会翻一番。这推动了电子产品的快速增长和小型化。然而，硅在制造微型和高效晶体管方面已达到物理极限。
TMD 为这个问题提供了解决方案。它们的超薄结构允许制造更小、更高效的电子设备。通过使用 TMD，研究人员和工程师可以继续缩小晶体管尺寸。这允许将更多晶体管封装到单个芯片中，从而延长摩尔定律预测的进度。
这些特性使得 TMD 对于开发更快、更强大、更高效的下一代先进电子产品至关重要。
二维材料是如何制成的？
制备二维材料的方法多种多样。化学气相沉积 (CVD) 和金属有机化学气相沉积 (MOCVD) 是生产高质量晶圆级二维材料的主要方法。这些方法可以控制二维材料的生长，使其具有理想的性能。这种控制对于将其集成到电子和光电设备中至关重要。
虽然当前的流程已经明确，但工业规模的生产需要新的设备和创新的设计来推动该领域的发展。
二维材料工业应用路线图：
本节概述了扩大 2D 材料工业应用的必要步骤。这里，我们提出了提高精度和增加生产能力的策略。
1. 精准扩大规模
该技术路线图强调需要扩大高精度二维材料的生产规模，包括开发更大的单晶圆，例如 2 英寸 n 型单晶圆的进展。
然而，控制材料缺陷以及使硅的性能与 p/n 型材料相匹配是关键挑战。未来的发展目标是实现更大的单晶，并精确控制缺陷。
外延生长技术的最新进展使得制造 12 英寸多晶材料成为可能。此前，最先进的技术主要涉及生产尺寸较小的晶圆，单晶质量的均匀性和一致性较差。两项独立研究表明，金属有机化学气相沉积可以生长 12 英寸单晶 MoS2 单层。该工艺采用石英喷嘴引导前体输送方法。此外，还开发了一种模块化生长策略，用于批量生产晶圆级过渡金属二硫属化物。该工艺允许制造 2 英寸晶圆，每批最多可生产 15 片。它还创下了 12 英寸晶圆尺寸的记录，每批产能为 3 片。
此前，生产能力和晶圆尺寸相当小，产量较低，缺陷率较高。这些进步提高了生产的晶圆的规模和质量，提高了生产效率。这为二维材料在先进电子和光子器件中更广泛和实际的应用铺平了道路。
这些发展对于集成电路应用至关重要，因为集成电路应用需要具有低缺陷密度和高均匀性的材料。目前正致力于实现 p 型和 n 型材料的单晶圆，使平面内缺陷密度降低至 1010 cm-2。这种对精确缩放的关注对于提高基于 2D 材料的设备的性能和可靠性至关重要。
当前挑战：
控制材料缺陷。
实现大规模生产的统一性。
在 p/n 型应用中，硅和 2D 材料的性能不匹配。
应对挑战：
需要先进的外延生长技术和创新的制造工艺。
必须进一步发展精密缩放和缺陷控制技术。
协作研究努力和行业标准合规至关重要。
当前状态和 TRL：
该技术处于 TRL 4-5 阶段，基本功能已在实验室和受控环境中得到展示。预计未来 2-3 年内将取得重大进展，随着精度和可扩展性的提高，将迈向更高的 TRL。
2. 通过人工智能增强原子位置和缺陷的可视化
二维材料的表征技术已达到亚原子分辨率水平。其中包括像差校正高分辨率透射电子显微镜和扫描透射电子显微镜等进步，包括叠层扫描 STEM。这共同增强了原子位置和缺陷的可视化。
将人工智能工具集成到这些流程中对于制定标准化和精细化的评估标准至关重要。人工智能提高了分析实验元数据的准确性和效率。它使材料表征更加可靠和简化。
此外，AI 还有助于在制造过程中进行现场和在线表征。这可以实现实时评估，快速识别缺陷并提高产量和技术工作流程。
随着基于 2D 材料的晶圆级芯片成为硅技术的竞争对手，人工智能驱动的质量评估技术尤为重要。这些技术可确保快速、自动化、无创地检查设备。它们可保持质量标准并探索操作极限和故障机制。
当前挑战：
制定标准化、精细化的二维材料表征评估标准。
缺乏用于人工智能训练的复杂算法和大型数据集。
应对挑战：
建立全面的数据集并改进的机器学习模型。
人工智能研究人员和材料科学家之间的合作。
当前状态和 TRL ：
该技术目前处于 TRL 3-4 阶段，其中已建立概念验证并测试了初始集成。预计未来 3-5 年内 AI 集成将取得重大进展。
3. 电子器件：后段与前段的协同
2D 半导体器件的性能指标正在向与硅基器件相媲美的方向发展。重点是高 k/金属栅极集成和可控掺杂等基础技术。性能、功耗和面积优化方面的改进是主要目标。结合后端 (BEOL) 和前端 (FEOL) 工艺将推动这些改进。
但是，为什么在 BEOL 和 FEOL 工艺中集成 2D 半导体很重要？
将 2D 材料整合到芯片背面的功率门控设备中可以提高性能，而无需极紫外光刻。欧姆接触技术和掺杂控制的进步对于高性能设备至关重要。这些设备可以集成到成熟的硅节点中以降低功耗。这种方法将有助于满足先进技术节点（例如亚 1 纳米节点）的需求。
当前挑战：
实现可靠的掺杂控制。
集成高 k/金属栅极。
确保 BEOL 和 FEOL 工艺之间的兼容性。
应对挑战：
精炼掺杂技术。
开发高 k/金属栅极的新材料。
增强流程整合。
当前状态和 TRL：
该技术处于 TRL 4-5 阶段，已展示出关键组件并实现部分集成。预计在未来 3-5 年内实现全面功能集成。
4. 热管理和互连
有效的热管理和减少电阻电容延迟至关重要。利用介电常数较低的材料并集成六方氮化硼和石墨烯等二维材料将提高器件的性能和可靠性。这些材料有望改善热管理并最大限度地减少半导体器件的延迟。
多晶和非晶 BN (a-BN) 作为热管理解决方案的潜力巨大。这些材料可以降低工作温度，并有助于提高设备性能和耐用性。
例如，h-BN 可以充当热散射粘合层。它降低了工作温度并提高了设备性能。石墨烯具有出色的导电性和抑制表面散射效应的能力。这使得它成为降低互连电阻和提高半导体器件寿命的有前途的材料。随着尺寸缩小和操作需求增加，这些创新对于保持设备性能至关重要。
当前挑战：
将 h-BN 和石墨烯集成到现有的半导体工艺中。
确保集成材料在运行条件下的稳定性和可靠性。
应对挑战：
需要进行更多研究来开发将 h-BN 和石墨烯集成到半导体工艺中的方法。
需要进行广泛的测试以确保长期稳定性和性能
当前状态和 TRL：
该技术处于 TRL 3-4 级，已在实验室环境中进行了实验验证。随着集成方法的改进和可靠性的建立，预计在未来 3-4 年内将达到更高的 TRL。
5. 集成电路和 3D 集成
基于二维半导体的集成电路的未来将转向三维集成。这种方法利用二维半导体的优势进行单片三维异质集成。它提高了芯片级的能效和功能性。这一转变将使更紧凑、更高效的三维集成电路成为可能。
3D 集成技术的进步主要集中在利用 2D 半导体与硅基 CMOS 电路的后端 (BEOL) 集成。该策略有望提高芯片级能效并扩展硅基芯片的功能。例如，与 CMOS 电路集成的 2D 半导体存储器和传感器可以提高整体芯片性能。这使其成为开发高性能、节能集成电路的关键途径。
当前挑战：
开发可靠的二维材料堆叠工艺。
确保 3D 结构中的高效热管理。
应对挑战：
粘合技术、热管理解决方案和工艺集成方面的更多创新。
研究高效散热的新材料和方法至关重要。
当前状态和 TRL：
该技术处于 TRL 3-4 阶段，初步演示了 3D 集成。堆叠和热管理方面的进步预计将在未来 4-5 年内将其推至 TRL 5-6 阶段
6. 光电集成
光电集成有望成为高通量信息技术的关键方向。合成大规模、高质量单晶和开发多功能集成器件的进步至关重要。这种集成将为支持各种应用的更高效的光电技术铺平道路。
目前的研究重点是大面积单晶的合成，并致力于开发基于这些单晶材料的高性能、多功能光电器件。
例如，实现高发光效率和扩大光电器件的工作波长范围是关键的里程碑。这些进步将支持光通信系统、成像技术和量子信息处理中的应用。最终，这将拓宽应用范围并提高光电技术的整体性能。
当前挑战：
实现高质量、大尺寸单晶
开发性能一致的多功能集成设备
应对挑战：
大面积单晶的先进合成技术
改进设备制造工艺。
当前状态和 TRL ：
该技术目前处于 TRL 3-4 阶段，在实验室规模合成和器件开发方面取得了重大进展。随着合成和集成技术的成熟，预计在未来 3-4 年内将发展到 TRL 5-6 阶段。
2D 材料何时才能对工业产生意义？
2D 材料对于信息技术的未来至关重要。这些材料的独特性质使设备性能和系统集成取得了突破。对于行业而言，及时了解这些进步对于保持竞争优势至关重要。
2D 材料已在商业上投入使用。例如，石墨烯用于加热和热管理的散热膜，并用于智能手机。这些薄膜由 Sixth Element 等公司生产，以其出色的导热性而闻名，即使在较大厚度水平下也能保持稳定。
Grapheal 公司利用石墨烯开发可穿戴和一次性生物传感器，可实现持续监测和现场诊断。石墨烯的特性使其能够灵敏、快速地检测生物信号。这对于可穿戴健康监测设备和现场诊断工具至关重要。
Varta Micro Innovation 和 Graphene Flagship 项目表明，在硅基锂离子电池中添加少量石墨烯可以显著提高其性能。石墨烯提供导电且稳定的基质，可减轻硅在充电和放电循环过程中的显著体积膨胀。这一进展使电池的容量比目前的替代品高出 30%。它还有助于电池在超过 300 次充电放电循环中保持性能。
短期内（1-3 年），研发可能会继续进行。半导体和光电子行业的早期采用者将开始在利基应用中实施 2D 材料。
随着制造技术的进步和成本的下降，中期（3-7 年）二维材料将得到更广泛的应用。更多行业（如储能和柔性电子）将在其产品中采用二维材料。
然而，业界可能会逐渐将目光投向长期（超过 7 年），届时 2D 材料将成为许多高性能和下一代设备的标准组件。在此期间，2D 材料的潜力可能会得到充分发挥，从而推动技术和行业的重大进步。
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