拯救摩尔定律，这种半导体材料是关键！

人工智能和移动终端的迅猛发展，导致对芯片高算力和低能耗的要求越来越高。而目前集成电路最先进的晶体管沟道长度和厚度开始逐步接近原子尺度，而传统半导体材料已经接近性能极限。因此，具有原子厚度的二维半导体在未来大规模集成电路中有着巨大的潜力，发展基于二维半导体的新型芯片具有极其重要的战略意义。

1、什么是摩尔定律？

摩尔定律是一个半导体的经验定律，表示集成电路中的晶体管数量每隔几年就会翻一番。但是，由于晶体管太小，以至于当前的基于硅的技术无法提供进一步缩小的机会，因此摩尔定律开始呈现失效的趋势。

摩尔定律的延续依赖于新材料、设备架构和解决方案，而原子极薄的二维材料（如二硫化钼MoS2）是扩展摩尔定律的候选材料之一。因此必须优化他们的功能，使其成为硅的合适替代品或补充品。

2、什么是二维半导体？

二维半导体，也称2D半导体，是指原子尺度厚度的一类天然的半导体，例如石墨烯、氮化硼、二硫化钼就是典型的二维半导体材料。

3、二维半导体的优点？

二维半导体之所以重要，是因为它比传统半导体材料采用块状形式表现出更强的压电耦合，具有独特的电学性能，这使得二维材料可以应用在传感和驱动的新型电子组件中，是半导体材料研究的重要突破。

在固体物理学这一新兴的研究领域中，当前的主要重点是通过使用石墨烯作为电导体，氮化硼作为电绝缘体以及二维过渡金属作为半导体来设计纳米电子元件。这些二维材料非常薄，以至于它们可以允许自由电荷载体，即电子和载有信息的晶体管中的空穴，沿着超薄平面传播。这些电荷体可以非常容易地互相切换，它还允许电荷体在方向路径移动时不会发生散射，因此晶体管的电阻是无限小的。

以二硫化钼为代表的二维半导体材料是一类战略新材料，可以构筑出速度更快、功耗更低、柔性透明的新型半导体芯片。二硫化钼是重要的固体润滑剂，特别适用于高温高压的环境下。它还具有抗磁属性，可用作线性光电导体和显示P型或N型导电性能的半导体，具有整流和换能的作用。与单层二硫化钼相比，多层二硫化钼更有助于提升器件性能。但是，由于热动力学的基本限制，如何实现高品质多层二硫化钼晶圆的制备仍是一个巨大挑战。

4、二维半导体——二硫化钼材料的新突破

针对该挑战，北京凝聚态物理国家研究中心纳米物理与器件实验室张广宇课题组，于2022年5月在《国家科学评论》上发表了以《Layer-by-Layer Epitaxy of Multilayer MoS2 Wafers》为题的研究报告中提出“一种逐层外延方法，实现了层数可控的多层二硫化钼4英寸晶圆的可控制备，所外延的多层二硫化钼具有极高的晶体学质量和优异的电学性质。”

为了解决晶圆尺度多层二硫化钼逐层外延的问题，张广宇课题组自主设计和搭建了4英寸多源化学气相沉积系统，发展了氧辅助的外延技术来调控生长动力学过程，利用衬底的近邻效应克服了热力学的基本限制和逐层外延的困难，最终实现了4英寸晶圆尺度均匀多层二硫化钼连续薄膜（最高可达6层）的可控逐层外延生长。

该研究突破了晶圆级高质量多层二硫化钼连续膜的逐层外延技术，为基于二硫化钼薄膜的大规模高性能电子学器件奠定了坚实的材料基础，预期可以有效地推动二维半导体材料在TFT(薄膜晶体管)、亚10nm超短沟道器件、柔性显示屏、智能可穿戴器件方面的应用。因此新型的二维半导体材料成为了延续摩尔定律的关键性材料，实现更高的电流和更好的节能效果。

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