以下文章来源于低维 昂维 ，作者低维 昂维
半导体器件技术是现代信息社会的基石，而二维材料因其独特的电子性质和潜在应用而在半导体电子学领域备受关注。然而，目前将实验室中的二维材料电子学转化为工业应用仍然存在许多挑战。
近日，来自南京大学固体微结构国家实验室的王欣然教授团队和南京大学集成电路学院、南京邮电大学集成电路科学与工程学院的于志浩教授团队联合苏州实验室的研究人员在Science China Information Sciences上以From lab to fab: path forward for 2D material electronics为题发表综述文章，系统介绍了二维材料电子学从实验室到产业转化所面临的挑战和解决方案。文章提出了一种基于过渡金属二硫化物（TMD）薄膜晶体管的新型集成电路设计，可以在保持高性能的同时实现可扩展性和可制造性。同时，还讨论了二维材料电子学在计算机和通信等领域的应用前景，并提出了未来研究的方向和挑战，为二维材料电子学的发展提供了重要的指导和启示。
从第一块集成电路（IC）的出现到基于FinFET的芯片，摩尔定律迄今已经发展了60多年的历史，其经历了从缩放时代（1960年代-1990年代）到等效缩放时代（1990年代-2020年代），再到现在的异质缩放时代（2020年代至今）。在未来的几年里，商业上的互补金属氧化物半导体（CMOS）技术预计将达到亚2纳米节点，其中栅长预计为12纳米，栅间距为42纳米。鉴于目前芯片的节点尺寸在平面上将很快达到其物理限制，未来进一步推进集成电路技术将需要从材料到三维架构的整体革命性创新才能实现。
根据最新的国际器件和系统路线图，二维半导体，特别是过渡金属二硫化物（TMDCs），被认为是扩展缩放路线图的有前途的通道材料。经过十多年的研究，二维半导体（二维材料电子学）在小于1纳米节点的缩放以及低温三维后端集成方面已经显示出了卓越的优势。
二维材料电子学是一个新兴领域，具有广泛的应用前景。随着计算机、通信、能源转换、生物医学等领域的不断发展，对高性能、低功耗、小尺寸、可靠性等方面的要求越来越高。而二维材料作为一种新型材料，具有很多优异的性质，如高载流子迁移率、宽带隙、柔性等特点，因此被认为是制造高性能电子器件的理想材料之一。
这篇综述首先介绍了二维材料电子学的背景和意义。作者指出，二维材料具有高度可调控性、优异的电子传输性能和光学特性等优点，在计算机、通信、能源等领域具有广泛应用前景。然而，将实验室中的二维材料电子学转化为工业应用仍然存在许多挑战，如制备技术、器件设计和制造等方面。
接着，文章介绍了当前二维材料电子学所面临的挑战和解决方案。作者指出，目前二维电子器件在实现高性能和可扩展性之间存在一定的矛盾。传统上，提高器件性能需要减小器件尺寸，但这会导致制造难度和成本的增加。因此，作者提出了一种基于过渡金属二硫化物（TMD）薄膜晶体管的新型集成电路设计，该设计可以在保持高性能的同时实现可扩展性和可制造性。
文章指出，自从实验室中首次展示了单层MoS2晶体管以来，学术界已经在基于TMDC的电子学领域取得了许多重要的里程碑成就。早期的TMDC研究主要采用机械剥离的少层或单层片状材料。然而，即使剥离的TMDC材料也存在大量缺陷（主要是硫空位），导致电荷跃迁输运和低迁移率。
在材料层面上的首次突破是利用化学气相沉积（CVD）方法合成大面积的TMDC材料，使研究人员能够摒弃胶带，制备器件阵列。在这项开创性工作之后，取得了相当大的进展，包括增加材料尺寸（4英寸）、材料库（约47种材料）、结晶度（2英寸单晶）、质量、对层数的精确控制以及异质结构。
界面工程、介电集成和欧姆接触一直是二维场效应晶体管（FET）器件研究的重点，从而全面提高了器件性能、功耗、可靠性和均匀性。近年来，Intel、TSMC和Interuniversity Microelectronics Centre（IMEC）已经在二维材料上展开了研发工作。
然而，尽管学术界和产业界已经付出了许多努力，目前二维材料的界面态密度仍然比硅高一个数量级。同时，二维界面中缺少悬键使得二维材料的介电集成成为一项巨大的挑战。目前，学术界在亚1纳米EOT（等效氧化厚度）介电集成方面的最新进展包括使用单层分子晶体作为原子层沉积（ALD）缓冲层、热蒸发的结晶Sb2O3和高κ钙钛矿膜，实现了界面态密度更低的界面和具有更高介电常数的氧化物。另一种经典原子层沉积的替代方法是van der Waals（vdW）集成，用于沉积介电材料，如hBN和结晶CaF2等。
文章还介绍了二维材料电子学在计算机和通信等领域的应用前景。作者指出，二维材料电子学在计算机和通信等领域的应用前景非常广阔。例如，在计算机领域，二维材料可以用于制造更快、更节能的处理器和存储器件。在通信领域，二维材料可以用于制造更快、更可靠的光电器件和天线。此外，二维材料还可以应用于能源转换、生物医学等领域。
最后，文章总结了当前二维材料电子学的发展现状和未来展望。作者指出，虽然目前已经取得了一些进展，但将实验室中的二维材料电子学转化为工业应用仍然需要进一步研究和努力。未来，需要加强基础研究、优化制备技术、改进器件设计和制造等方面的工作，以实现2D材料电子学在各个领域的广泛应用。
这篇文章的研究价值和意义在于，它探讨了二维材料电子学的发展现状和未来展望，为相关领域的研究提供了重要的参考和指导。
本文从实验室到工业化生产的角度出发，系统地介绍了二维材料电子学在器件制备、器件设计和器件应用等方面的最新进展。作者们详细阐述了二维材料制备技术（如机械剥离法、化学气相沉积法等）、器件设计原则（如场效应晶体管设计原则）以及各种类型的二维材料器件（如光电器件、传感器、存储器件等）的制备和性能。这些内容对于推动二维材料电子学的发展具有重要的意义，可以为相关领域的研究提供重要的参考和指导。
虽然二维材料产业化目前已经取得了一些重要的进展，但是仍然存在一些挑战和问题，如材料制备的可扩展性、器件性能的稳定性和可靠性等。文章对这些挑战和问题做了系统的分析和总结，包括：
一、材料制备的可扩展性问题。目前，大多数二维材料都是通过机械剥离或化学气相沉积等方法制备的。虽然这些方法可以获得高质量的二维材料，但是它们通常只适用于小规模制备。因此，在实现大规模生产方面仍然存在一些挑战。
二、器件性能的稳定性和可靠性问题。由于二维材料具有非常薄的厚度和高表面积-体积比，因此容易受到环境影响，并且容易发生缺陷和损伤。这些因素可能会导致器件性能不稳定或不可靠。
文章相信，未来十年对于将这项技术从实验室转移到生产厂将是关键的一个时期。这篇文章回顾了过去十年中TMDC材料、器件和集成技术发展的关键里程碑，概述了面临的挑战，并设定了在亚1纳米节点上实现TMDC生产厂采用的近期和长期目标，并提出了性能、功耗、面积、成本和设备平衡作为进一步技术发展的关键指标。
为了解决这些问题，作者提出了一些未来研究方向。首先，在材料制备方面，需要开发新的制备方法，以实现大规模生产。例如，可以探索基于溶液处理或化学还原等方法的制备技术。其次，在器件设计方面，需要进一步优化器件结构和材料组合，以提高器件性能和稳定性。例如，可以探索新的二维材料组合或设计新的器件结构。
随着二维电子材料研究的逐渐成熟，摩尔定律将会在更高维度、更深层次上继续推进，从而持续推动人类信息社会和智能社会的进步。
参考文献：
Hongkai NING, Zhihao YU, Taotao LI, Haoliang SHEN, Gen LONG, Yi SHI, and Xinran WANG. From lab to fab: path forward for 2D material electronics. Sci China Inf Sci 66, 160411:6 (2023).
https://engine.scichina.com/doi/10.1007/s11432-023-3752-3
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