二维材料：突破硅基芯片工艺极限的新机遇？

luyuanhong

二维材料：突破硅基芯片工艺极限的新机遇？

随着传统半导体器件微型化达到物理极限，摩尔定律已经走到尽头，传统材料难以满足未来大数据时代日益增长的计算需求。二维材料以其独特的优势，成为有希望取代传统硅基半导体材料的候选者之一。此外，二维材料也展现出了诸如拓扑、强关联、超导等新奇的物理效应，近年来的研究还发现这些新奇物性可以被大范围、精准调控。二维材料已经成为凝聚态物理研究的绝佳平台。

撰文 | 张远波（复旦大学物理学系教授）、夏轩哲（复旦大学自然科学试验班 2022 级学生）、阮威（复旦大学物理学系青年研究员）

我们的时代是硅的时代。小到可佩戴的运动手环，大到每秒计算 10 亿亿次的超级计算机神威·太湖之光，都依赖硅基集成电路进行计算。随着几十年来集成电路的发展，硅基元件的性能潜力已经隐隐可以看到尽头。可喜的是，近年来二维材料的研究为我们指出了一条芯片发展的新道路。二维材料的基础研究有可能成为破解芯片性能瓶颈问题的关键。

接下来我们将从半导体行业的历史发展讲起，逐渐为读者展示新型二维材料在芯片制造和基础物理研究中的巨大潜力。

半导体器件的崛起

计算简史：从结绳记事到电子计算机

计算是人类生产生活中最重要的工作之一，计算工具（计算机）的发展贯穿了人类的发展历史。从远古时代的结绳记事，到中国古代的算盘，再到近代的电机械加密计算机恩尼格玛（Enigma），都是利用机械结构来存储数据并进行计算。机械计算的出现自然是人类文明的一大飞跃，但是计算速度仍然受到机械结构的限制，而且脱离不了人的实时操作。

如何提高计算机的速度成为人们关注的一个重要问题。20 世纪之前的基础物理研究给新型计算机的发展找到了一个足够高速的计算载体：电信号。理论上电信号（电流或电压）的改变速度取决于电磁场的传播速度，可以接近光速，这可能是人们能找到的最快速的信号了。如果我们将电流的连通与断开，分别人为地编码为 1 与 0 ，就可以存储二进制信息，从而解决机械开关速度慢的问题。

早期的电子计算机原件：真空管

如何快速控制电流的开关呢？大家比较熟悉的可能是继电器或者干簧管，但是继电器或干簧管的机械结构不可能达到电子计算机所需要的高速。在探索中，科学家发明了利用外界电压变化控制电流的元件——真空管。

真空管的原理很简单，科学家在一个类似白炽灯泡的真空室中插入通电加热的灯丝，阴极处的热灯丝会发出稳定的电子流。此时在电子流中间、接近阴极的地方加上一个网格状的电极（栅极），当电极处于合适大小的负电位时，电子被“卡”住，真空管不导通；当电极处于合适大小的正电位时，电子通过，真空管导通。这样便实现了仅用电极的电压变化来控制电流。



这样设计的真空管材料简单，体积很小，非常适合集成化。接下来，如何让多个真空管一起工作，进行必需的运算呢？这需要引入现代计算机的“逻辑控制”概念。

计算机的逻辑控制

人的参与很大程度上制约了早期计算机的速度和准确度。新型电子计算机的革新建立在“逻辑控制”原理上，即将一般运算分解为简单逻辑运算，例如“与（AND）”“或（OR）”“非（NOT）”的组合，允许其自动运行。

重新考虑上面介绍的真空管。当栅极为负电位时，真空管不导通，没有电流流过；而当栅极为正电位时，真空管导通，有电流通过真空管。栅极的正负电位与真空管的导通与否刚好可以构成一个“非”的关系。我们还可以巧妙地设计其他的电路实现更复杂的逻辑运算。

半导体的崛起

复杂的计算需要更大规模的真空管电路，此时电路的耗电量和体积成了大问题。

1947 年，巴丁（Bardeen）、布拉顿（Brattain）、肖克利（Shockley）三位科学家发现，他们研制的晶体半导体器件（晶体管）可以通过一部分的微量电流，控制另一部分流过的大电流。半导体元件能以更小的尺寸实现与真空管相似的功能，从而引发了集成电路历史性的飞跃。三位科学家也因晶体管的发现获得了 1956 年的诺贝尔物理学奖。

为什么我们需要不断增大电路的规模？这里其实有物理定律的支撑。1974 年，罗伯特·登纳德（Robert Dennard）发表了其著名的缩放比例定律。登纳德基于对缩放前后电路的分析发现，若将晶体管的尺寸按比例缩小，则计算机的性能会按相应比例提高。因此，缩小晶体管的尺寸从而提高集成度成为工程上的迫切需求。

缩放比例定律的发现，直接促成了英特尔创始人之一的戈登·摩尔（Gordon Moore）对半导体产业的一个观察：集成电路上可以容纳的晶体管数目，约每经过 18 个月便会增加一倍。这就是著名的摩尔定律。换言之，处理器的性能大约每两年翻一倍，同时价格下降为之前的一半。

我们在生活中可以深刻地体验到摩尔定律的威力：每过一到两年，手机、电脑等电子产品的计算能力就会突飞猛进。仅仅 20 多年的时间，华为新发布的手机单位时间的计算能力就已经超过了当年的超级电脑——深蓝。目前我国新研发的超级计算机——神威 ·太湖之光——每秒计算能力已经达到了 10 亿亿次。

由此看到，以晶体管为基础的集成电路代表了人类工程的奇迹。现如今，在一个芯片上，人们已经可以集成几十亿个晶体管，每一个晶体管的加工精度可以达到几十个原子，这几乎达到了人类工程技术的极限。IBM 在 2021 年公布的新工艺，采用 4 个门电极包裹半导体薄片的方式，将技术提高到了 2nm 级别。（注意这里的 2nm 并不代表芯片晶体管的真正尺度，而是技术代号，晶体管的真正尺度仍然停留在十几纳米左右。）

制造这样微小的器件，需要高超的表面微纳加工技术。这个技术的核心就是极紫外线（EUV）光刻机。EUV 光刻机使用波长为 13.5nm 的极紫外光进行加工，这样才能达到芯片要求的 10nm 级的加工精度。

中国现在面临的问题是：世界上最先进的 EUV 光刻机对中国禁运，但国内暂时无法生产。这直接造成了严峻的芯片“卡脖子”问题。想要解决卡脖子问题，必须由中国的科研人员共同努力，早日实现 EUV 光刻机的国产化。

摩尔定律危机

摩尔定律预言的计算机性能的指数增长会一直成立吗？

从当今硅基器件的发展来看，摩尔定律已然达到其瓶颈。随着单个器件尺寸的减小，集成电路的总发热功率逐渐变得不可忽视。家用电脑的 CPU 运行时需要经过水冷、风冷等精心设计的散热措施。超级计算机更是常常要建在天然水域附近以确保良好的散热。散热问题直接限制了更高规模的集成电路发展。

困扰半导体材料的一个关键问题是“控制漏电”。从电磁学的角度，半导体存在“屏蔽效应”，因此门电极只能控制最表面上的电流的通断，更加深入的部分的电流只导致发热，没有参与计算，这形成了漏电的损耗。

为了减小漏电的影响，加州大学伯克利分校的华人教授胡正明提出了鱼鳍晶体管（FinFET），将硅片做成鳍状的薄片半导体，从边缘控制电流，由此减少了漏电的发热损耗。尽管如此，寻找新的材料体系以取代原有的硅基半导体已经成为当今计算器件发展的一个重要课题。

二维材料的新机遇

三维材料的极限

随着半导体材料工艺的推进，更小的器件需要更薄的材料。而材料的厚度有一个物理极限——单原子层。硅的原子结构与钻石相似，是一种典型的四面体结构。像硅这样有三维晶体结构的材料被称为三维材料。三维材料的特性决定了当硅薄到单层或若干层材料时，表面的硅层必须与其他原子成键。例如硅与氧原子成键之后，硅就变成了氧化硅，从而失去了硅特有的半导体特性。这宣告了硅作为半导体材料的极限。

二维材料石墨烯

石墨烯的发现引发了一类被称之为“二维材料”的研究热潮。石墨烯离我们的日常生活并不遥远，我们常用的铅笔芯由石墨构成，而石墨烯就是石墨剥离至单层原子的产物。石墨烯由碳原子构成的正六边形密铺而成，在垂直于二维平面的方向，不会与外界原子成键，这正是二维材料区别于三维材料的优势。

二维材料的发现可以突破三维材料的极限，为半导体产业带来了新的机遇。2010 年，海姆（Geim）和诺沃肖洛夫（Novoselov）因为石墨烯的发现被授予了诺贝尔物理学奖。

这里还有笔者（张远波）的一个小故事。2002 年，笔者尚在美国哥伦比亚大学菲利普·金姆（Phillip Kim）教授课题组攻读博士学位时，就对石墨烯中可能存在的物理产生了浓厚的兴趣。当时我们碰到的第一个难题是：如何高效地制备单原子层的纯净石墨烯样品？

自然地，我们联想到了每日都接触的铅笔。铅笔芯由石墨构成，而石墨就相当于一层层石墨烯的叠加。在我们用铅笔书写的时候，铅笔的笔迹事实上就是薄薄的石墨片，如果这个石墨片足够薄，薄到只有一个原子厚，石墨烯就被这样制备出来了！

在 2002—2004 年的两年时间内，我们尝试制作了一支“纳米级”的“铅笔”，通过“写字”的方法，制作出小片的石墨片。经过反复的实验和优化，获得了 5~100nm 厚的石墨层。单原子层的石墨烯厚度大约为 0.3nm ，5nm 的石墨片大抵相当于十几层碳原子的堆叠。通过这样的技术，我们可以制作石墨器件。我们惊喜地发现，门电极对于薄层的石墨器件拥有微弱的调节作用。

同样在 2004 年，海姆和诺沃肖洛夫在《科学》（Science）上发表文章，提出他们已经利用另一种方法制备出了单原子层的石墨烯。自己设想的目标提前被他人实现的事情，在科学探索中是经常发生的。从我们个人的角度这当然是有些令人沮丧，但是对整个科学界，这是一个激动人心的进步。


二维材料石墨烯

石墨烯的剥离：魔术胶带的威力

我们来看看两位科学家提出的全新制备方法。他们仅仅使用日常生活中常见的透明胶带，就完成了单原子石墨烯的高效、纯净的制备。

首先，取小片的石墨碎片黏在胶带上。然后将胶带对折，使需要解离的石墨表面粘在胶带上，再轻轻撕开，使表面互相分离。由于石墨的原子层之间作用力很小，胶带的粘力就足以让石墨分成两半。此时的石墨碎片仍然很厚，反复进行上面的过程，直至获得了足够薄的石墨薄层。我们可以用一个平整的表面（通常是硅片）将薄层从胶带上分离下来。这样就生产出了单层的石墨烯！

了解到这一方法后，我们马上在实验室中重复了这样的制备过程，并且利用原子力显微镜等技术手段确认了单原子层石墨烯的存在。

石墨烯中的新物理

通过改进实验的制备工艺，我们很快获得了更纯净、更大量的石墨烯样品。在2005年时，我们与海姆实验室分别独立发现了石墨烯中的“半整数”量子霍尔效应。

除此之外，石墨烯由于其中包含独特的狄拉克型电子而蕴涵着丰富的新奇物理现象，随着人们持续的研究不断被发现，对于它的研究直到现在仍然经久不衰。

石墨烯具有极高的电子迁移率（导电能力）以及极佳的栅电极调控能力，人们期望利用它制备新一代的半导体器件。然而，和传统的半导体不同，石墨烯的能带之间没有空隙，无法达到理想半导体电流关闭的状态，所以它无法被制成像晶体管一样的电子开关元件。

但是，这并不意味着二维材料在半导体工业的终结。相反，还有许多的材料可以像石墨烯一样剥离至二维，并展现出良好的半导体性质。



新二维材料黑磷

在复旦大学的实验室，我们一直在探索新的拥有带隙的二维半导体材料。终于在 2014 年，我们与中国科学技术大学陈仙辉教授团队合作，成功制备出了与石墨烯结构相似的二维黑磷材料。与石墨烯不同的是，黑磷材料从块材到二维都呈现出标准的半导体性质。同年，我们团队在国际上首次制备了二维黑磷器件，其拥有类似晶体管的电子开关性能。

进一步地，随着越来越多实验室加入对于二维黑磷材料的研究，研究者不断发现二维黑磷器件在传感、光伏等领域的可能应用。围绕二维黑磷材料的研究也已经形成了一个新的研究方向。



二维半导体是国际公认的集成电路未来的重要发展方向

从 2010 年诺贝尔物理学奖颁发给石墨烯相关研究以来，二维材料的研究已持续成为国际热点：欧洲微电子中心（IMEC）已经明确二维半导体为 1nm 及以下节点的重要材料体系；2022 年 6 月国际集成电路峰会提出，二维半导体是目前业界唯一公认能够延续摩尔定律的材料。近年来，三星、台积电、阿斯麦等企业和机构已经开始着力研发二维半导体作为 3~5nm 节点以后硅的替代方案。

胶带解离方法的缺陷是无法生产工业可用大小的半导体材料。为此，研究者们正在推动晶圆级的二维材料生长研究。南京大学、中国科学院和复旦大学的团队近期在这个领域都有可喜的进展，已经站在了世界的前列。

利用二维材料，科学家在晶体管制备上也有了许多进展。清华大学团队已经实现 0.34nm 物理栅长下的二维材料晶体管，北京大学团队研制出速度超越硅极限的二维材料晶体管。

基于二维半导体集成工艺，目前研究者已经能够实现大部分硅基电路功能。下一步的目标是利用二维半导体的特性，进一步提高芯片的整体性能。

从材料物理的角度，我们可以总结出一条规律：“少者异也（Less is different）。”例如将石墨从三维解理至二维，形成的二维石墨烯拥有与石墨完全不同的物理化学性质。根据这样的想法，我们找到了很多在二维下出现新的物理特性的材料。

例如，我们实验室发现二维本征磁性拓扑绝缘体 MnBi2Te4 存在“量子反常霍尔效应”。对于这样的二维材料，可以在零磁场的实验条件下观察到量子霍尔效应的量子化电阻平台。其本征磁性也使其拥有优于磁性掺杂拓扑绝缘体的效应温度。我们还发现了二维磁体 Fe3GeTe2 ，其单层材料在外场的调控下可以在室温下出现铁磁性。对此类二维磁体的进一步研究，有望为微型化磁性存储等器件提供新型材料。

除此之外，对于二维材料的研究反过来可以给我们提供对于一些传统三维材料中的奇异物理现象的理解。例如，如今基于铜氧化物的高温超导材料都显现出层状晶体结构，而对于它们非常规超导机制的理解目前仍是科学界的难解之谜。

我们基于高温超导材料 Bi2Sr2CaCu2O8+x（Bi-2212）进行研究，发现将它剥离至二维极限时依然表现出高温超导现象，其超导转变温度以及诸多独特的高温超导性质与块材几乎一致。这说明对于以 Bi-2212 为代表的高温超导而言，其超导是完全的二维现象，这为人们最终理解高温超导现象提供了极具价值的线索。

结语

著名的物理学家费曼曾经讲过：“人类尚且年轻，一切才刚刚开始，我们碰到问题是理所当然的，但是未来还有千万年，我们的责任是尽力去做、尽力去学，寻求更好的解决方法，并传给后人。”半导体物理已经发展了几十年，一代代的物理学家和工程师在不断地改进前人方案、不断提出新的见解中前进，在物理学的研究中，唯一能够阻挡我们的，就是自己的想象力。

二维材料的新机遇已然出现，需要更多有知识、有创造力的学者和工程师不断前行，为人类的美好未来而共同努力。

本文转载自微信公众号“世界科学”，根据笔者在上海市科学技术普及志愿者协会主办的 “海上科普论坛”上的报告撰写而成，原题目为《张远波：二维材料的新机遇｜大家》。

返朴 2023-07-23 09:07 发表于北京