（原标题：芯片新时间，将开启）

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近日，在一文中，笔者共享了IMEC对改日14年半导体蹊径图的预测。

IMEC预测至2039年的蹊径图

能看到，跟着先进制程节点的演进和晶体管架构的更动，二维半导体材料或将成为改日业界羡慕的焦点。

践诺上，现时摩尔定律日益放缓，跟着制程节点向物理极限不停靠拢，硅基三维晶体管的制造结构日趋复杂，所需插足的资本呈现指数级攀升，而工夫演进带来的旯旮效益却显耀递减。

同期，为了保抓摩尔定律的进展，创新的重心已从尺寸缩放转向功能性缩放。在从FinFET到Nanosheet，乃至改日CFET等晶体管架构的远程跋涉中，业界深切封锁到：仅依赖硅基材料的三维堆叠工夫，已难以撑抓可抓续的微缩与能效擢升。寻求根人道的材料更动，成为突破瓶颈、开辟新增长弧线的枢纽所在。

在这一配景下，从传统硅基三维材料向二维半导体材料的战术过渡，速即跃升为寰球半导体研发与产业布局的核惊惧点，诱惑了寰球科研东谈主员与产业界的眼神。

二维半导体，来势汹汹

人所共知，跟着半导体制程向亚-纳米级靠拢，硅基器件遇到厚度波动散射、量子隧穿效应及短沟谈效应等物理极限，导致性能显耀退化，成为延续摩尔定律的主要费劲。三维堆叠工夫虽能延续晶体管密度增长，但使用传统沟谈材料进行3D集成将极具挑战性，对EUV光刻的纳米级瞄准精度依赖加重了资本压力。

因此，二维材料算作沟谈材料的引入为措置尺寸微缩挑战提供了创新决策。

凭借原子级厚度（0.3-10nm）与范德华异质结工夫，二维材料可构建垂直场效应晶体管（VFET）竣事10倍于 FinFET 的密度突破，在1nm栅长下仍保抓10?开关比。其私有电学性能（如黑磷60000cm2V?1s?1移动率）与量子特质（魔角石墨烯超导态、二硒化钨谷极化效应等），是下一代集成电路芯片的理想沟谈材料。

同期，二维材料面向芯片应器具备上风。与传统的块状硅材料不同，二维材料在平面上阐扬出晶格周期性，通过规章二维材料的层数、异质结构等几何结构，或外加应变和电场，改变其晶格周期性，最终影响能带结构和带隙的大小。二维材料的不同晶格结构和原子摆列产生了不同的电子能带结构，从而产生了宽的能带范围，涵盖了半金属、半导体和绝缘体。二维材料易于与其他材料集成，不受晶格常数匹配的顾问。

跟着AI、大数据时间的到来，一些新的计较架构和机制仍是被引入下一代计较工夫。收获于二维材料私有的性质，基于二维材料的存储器件、神经形态器件、量子器件、离子晶体管等被凡俗地算计和应用，成为后摩尔时间突破物理极限的中枢引擎。

最典型亦然最早实考据明的二维材料是石墨烯。2004年，K. S. Novoselov等东谈主在Science杂志发表著作，报谈了通过机械剥离的范例从高取向的裂解石墨中获取了石墨烯，且阐发了其私有优异的电学性质。

算作首个被发现的二维材料，厚度仅0.335纳米的石墨烯，被觉得是最具后劲的半导体替代材料，领有极其优异的物感性质，如高强度、高导电性、高导热性等，科学界渴望哄骗它制备新一代的半导体器件，是下一代“碳基半导体”强有劲的候选材料。

之前IBM一项算计标明，比较硅基芯片，石墨烯芯片在性能和功耗方面预期将有较大擢升。比如，7纳米制程的石墨烯芯片比较7纳米制程的硅基芯片，速率擢升高达300%——前提是省略在石墨烯的能带里绽放一个“赋闲”。

关联词，石墨烯算作一个半金属的材料，其零带隙特质无法达到理想半导体电流关闭的景象，难以被制成像晶体管一样的电子开关元件，铁心了其在逻辑器件中的应用。因此，尽管K. S. Novoselov团队制备出了石墨烯，但其仍然在2007年的一篇对于石墨烯的评述著作中流泄漏悲不雅情谊。

石墨烯出生后的很长一段时分里，也果然未能在半导体领域找到“用武之地”。尽管如斯，但以石墨烯为代表的二维材料仍获取了较大羡慕，新的二维材料如翻天覆地般涌现。

自 2004 年石墨烯分别成功以来，过渡金属二硫族化合物（TMDCs，如MoS₂、WS₂）、六方氮化硼（h-BN）、黑磷及 MXene 等二维材料体系得到凡俗算计。尤其是2010年后，单层MoS₂晶体管的成功制备记号着二维半导体进入实用化阶段。

2024年，中国天津大学和好意思国佐治亚理工学院科研东谈主员构成的算计团队，使用特别熔炉在碳化硅晶圆上的孕育范例，取得环节突破，出产出了外延半导体石墨烯单层。算计发现，若是制造妥贴，外延石墨烯会与碳化硅发生化学键合，并阐扬出半导体特质，这成功攻克了遥远以来拦阻石墨烯电子学发展的枢纽工夫难题，绽放了石墨烯带隙，竣事了从“0”到“1”的突破。关系论文发表在《Nature》上。是以，石墨烯因此也有了“重生”。

恰是基于诸多上风，从石墨烯被发现初始，二维材料已迟缓成为一个成员繁密、类别万般的苍劲眷属。这些常见的二维半导体材料各自具有不同的能带结构和电子特质，隐私从超导体、金属、半金属、半导体到绝缘体等材料类型，同期也具有优异的光学、力学、热学、磁学等性质。

一些典型的二维材料的晶体结构和性质

石墨烯：零带隙狄拉克费米子体系。石墨烯的电子结构呈线性色散，在K点形成狄拉克锥，载流子移动率极高，室温下可达10?-10? cm2/V·s。其准粒子行为类似无质料，自旋散度长，适用于高频电子学与自旋输运算计。关联词，零带隙铁心了其在数字开关器件中的应用，需通过带隙工程技能竣事能带调控。

TMDs：径直带隙与谷自旋耦合。典型TMDs（如MoS₂、WS₂）在单层景象下呈径直带隙半导体性质，能隙约为1.8eV，并跟随强自旋-轨谈耦合与空间反演对称性破缺，导致自旋与谷解放度耦合。这种物理机制使TMD成为谷电子学与光自旋操控的理想平台。尽管其移动率较低，但踏实的带隙和优异的光电反应使其在晶体管与光电探伤中具备践诺应用价值。

黑磷：各向异性与可调带隙。黑磷为少有的本征径直带隙材料，其能带结构对层数明锐，从单层的2eV连气儿调谐至块体的约0.3eV。同期，黑磷晶格结构导致激烈的电子各向异性，使其在标的关系器件中具有私有应用远景。尽管移动率可达千级cm2/V·s，但其化学不踏实性是制约其发展的一大费劲。

MXene：二维金属与界面工程平台。MXene是一类层状过渡金属碳化物/氮化物，自然金属性、高电导率和名义官能团赋予其在往来工程、电化学与可调能带缠绵中的凡俗后劲。算计标明，通过调控名义末端基团与界面应力，可沟通其从金属窜改为半导身形，成为二维材料中可工程化程度最高的体系之一。

收获于其原子层厚度方朝上的量子局限效应，这些二维材料展示出与其对应的三维结构人大不同的性质。从硅基三维材料向二维半导体材料过渡，不仅是材料的更动，更是半导体工夫的一次飞跃，有望冲破摩尔定律放缓的僵局，推动半导体行业进入全新的发展阶段。

清华大学任天令教化、田禾副教化，复旦大学刘子玉教化，中北大学郭浩教化，中科院微电子所彭松昂副算计员和北京交通大学邓涛教化等回想了二维半导体在工艺工程和万般芯片应用领域的算计进展。

二维电路的一般蹊径图暗示图

(a) 硅基、碳纳米管基和二维基集成电路的发展时分线

(b) 二维电路的竣事蹊径和改日可能的应用领域

台积电、英特尔、三星和 IMEC等大型企业纷纷加快布局二维半导体赛谈，在二维半导体材料算计和集成方面插足了大都资金，推动产业由实验室迈向限度化。

败落据高慢，2024年寰球二维半导体材料市集限度达18亿好意思元，其中石墨烯为最大细分市集，这主要收获于其优胜的导电性和机械强度，占比45%。过渡金属二硫族化合物(TMDs)因其私有的电子性质和在万般应用中的多功能性而成为第二大细分市集，占比30%。跟着制备工夫熟练，算计2025-2030年市集限度将以24%-26.5%的复合增长率扩展，2030年有望突破45亿好意思元，主要增长能源来自5G通讯、AIoT及高性能计较领域的需求。

在此趋势下，算计机构和产业界对二维半导体材料和器件伸开积极探索，推动二维半导体材料的算计和开发。

二维半导体产业进展与突破

原集微：

首条二维半导体宇宙产化工程化示范线启动

2025 年 6 月，复旦大学科研团队孵化的原集微科技二维半导体工程化考据示范工艺线在浦东川沙启动，这是首条宇宙产二维半导体集成电路工程化示范线。原集微霸术三年内诞生买卖化量产线，攻关前后谈工艺、“非硅” 材料与硅基工艺兼容性、异质 / 异构集成等中枢工夫，已与中科创星、北京赛微电子等企业调解探索异质集成决策。

依托二维材料极低走电流上风，原集微遴选DRAM和边缘计较为产业化切入点，正激动原型芯粒集成开发，将在8吋工程示范线完成工艺优化。本年4月，其连络团队在《当然》发布寰球首款基于二维半导体的32位RISC-V架构微处理器“暧昧（WUJI）”，集成5900个晶体管，反相器良率99.77%，刷新集成度记录且性能擢升51倍。该处理器基于单层二硫化钼（MoS₂），不依赖EUV光刻机，竣事全链条自主研发，阐发新材料应用可行性。

原集微主张是打造二维半导体界的“台积电”，霸术三年内突破材料与硅基工艺兼容难题，建成外洋跳跃的示范买卖化产线，竣事1-2纳米级芯片性能。

西北有色院、西安爱戴院：

POT工夫合成Ti2CO2二维材料

生物传感器依赖无机/有机复合结构，亲和层是联结中枢，MXene材料因私有理化性质成后劲候选。其中，Ti₂CO₂ MXene因高踏实性和半导体特质受羡慕，但惯例制备易过度氧化生成TiO₂，难以精确合成。

西北有色金属算计院、西安爱戴金属材料算计院李阳、程飞团队开发臭氧脉冲处理（POT）工夫，成功合成踏实的二维半导体Ti₂CO₂ MXene。该工夫通过精确规章 “Ti₂C→Ti₂CO₂→TiO₂” 反应的活化能窗口，哄骗高活性臭氧数落主张反应能垒，短时脉冲扼制过度氧化，突破传统官能团调控瓶颈。Ti₂CO₂ MXene 的高吸附容量和踏实性使其成为高精度生物传感的优异亲和层，为MXene材料官能化与踏实化提供新念念路，拓展了二维半导体在生物传感、健康监测和智能诊疗领域的应用。

南京航空航天大学/南洋理工大学：

二维半导体中共格限域的单金属原子链

近日，南京航空航天大学郭万林院士、张助华教化、乔瑞喜副算计员连络南洋理工大学刘政教化团队，在金属单原子链原子制造领域取得突破。团队基于二维硫族化合物晶界限域效应，建议模范化筛选决策，预测并实考据实了可在二维半导体晶界形成单金属原子链（SMACs）的元素。关系后果发表于《当然·通讯》。

算计针对SMACs孕育的热力学与能源学过程，分析了过渡金属原子与MX₂晶畴的替代掺杂、名义团簇化、规模吸附构型偏激能源学孕育势垒等中枢门径，建立SSEK表面计较筛选模范。以MoS₂为例，从27种过渡金属中锁定Co、Ni、Pd、Pt、Rh，实考据实前四种可在MoS₂镜面孪晶界形成数十纳米长的单原子链网罗。这些原子链通过共价键与两侧晶格联结，踏实性高，表面预测具有一维金属性及磁性。该职责不仅为二维材料限域体系中的一维结构的原子制造开辟了新途径，更为极限一维体系中量子行为算计与全新器件开发奠定了基础。

苏州纳米所：

二维异质结构光调控焦虑进展

二维过渡金属硫属化物（TMDs）异质结构因优异光电性能，在纳米光电子学等领域应用凡俗。TMDs异质双层可竣事材料落拓组合及层间耦合调控，产生层间激子等新式激子态，但传统器件需与外部光学结构集成，易引入非辐射复合中心、n型掺杂以及强介电屏蔽效应等问题，严重扼制了激子的发光效力，尤其影响层间激子的踏实性和辐射效力，因此带来了极大的调控挑战。

在此，苏州纳米所张兴旺团队在Science Advances期刊上发表了最新论文。该团队在解放吊挂的 WS₂/WSe₂ 异质双层中径直构建了内嵌光子晶体（PhC）纳米结构，幸免了传统介质往来引发的发光扼制问题。该结构不仅在不依赖外部光学谐振器的条款下竣事了激子与导模共振的自耦合，还通过导模的动量色散特质，成功竣事了激子放射在能量-动量空间中的聘请性激勉与标的性排序。该策略显耀擢升了层间激子的发光效力，同期揭示了扭角对激子态调控的后劲，为探索莫尔超晶格中激子的物理机制和新式光子器件的缠绵提供了新念念路和枢纽工夫旅途。

东南大学：

用于突触晶体管的二维极性半导体中门控可调极化梯度

跟着东谈主工智能对数据处理需求不停增长，传统冯·诺依曼计较架构局限性日益突显，其内存和处理单元的物理分别导致了延伸和能效问题。神经形态计较算作一种新兴的计较范式，通过效法东谈主脑的并行处理表情，有望克服这些瓶颈。东谈主工突触开采是神经形态计较的中枢，其旨在模拟生物突触的动态可塑性。关联词，现存的突触晶体管主要依赖于离子移动、铁电开关、浮栅耦合或电荷陷坑等机制，这些范例存在离子扩散、极化疲惫和电荷败露等问题，铁心了开采的可靠性和顾虑保抓才调。

东南大学李泽军团队报谈了基于二维极性半导体的门控可调极化梯度机制，用于模拟生物突触功能。通过在二维极性材料中引初学控调制的极化梯度，竣事非易失性、刺激可调的电荷传输，模拟突震动态可塑性。

该机制使开采在室温下竣事约 331 秒的顾虑保抓时分，尽头多数传统突触晶体管，且在150-300K温度范围内保抓106-104的高开关比，展现出优异的操作踏实性和轮回经久性。该算计隆起极化工程在载流子传输规章中的枢纽作用，为神经形态架构缠绵提供新范式，推动新一代电子工夫发展。

北京大学彭海琳教化团队：

二维Bi₂O₂Se半导体全维度瓦解

二维 Bi₂O₂Se 因优异性能成为后硅时间高性能集成电路的枢纽候选材料，但其产业化濒临诸多挑战。北京大学化学与分子工程学院彭海琳教化团队应邀在《Nature Reviews Electrical Engineering》发表综述，薪金二维Bi₂O₂Se半导体的发展与预测。

Bi₂O₂Se 具有非范德华层状结构，Bi-O共价键踏实且层间作用弱，赋予其精湛空气踏实性与工艺适合性。其高电子移动率、波折带隙特质、强自旋轨谈耦合效应及铁电性，使其在光电器件、自旋电子学器件和非易失性存储器领域后劲巨大。制备方面，热挥发CVD、盐援助低温CVD等范例各有优劣，需通过调控成核位点等身分规章单晶描述与质料。产业化需突破晶圆级单晶制备的裂缝规章、工艺集成的界面规章与互连工夫、晶体管尺寸减轻中的性能与可靠性均衡，以及电路级应用的结构优化等瓶颈。

北科大：

二维半导体材料孕育范例新突破

现时，化学气相千里积（CVD）已竣事晶圆级 MoS₂单晶孕育，但多核孕育法存在晶界裂缝，外汇配资影响器件均匀性；单个核孕育受成核密度与孕育速率铁心，晶畴多为毫米级。液态先行者体结晶法也因润湿面积小等问题，仅能生成亚毫米级晶畴，大限度出产高质料二维过渡金属二硫族化物（TMDCs）仍是工业制造的环节挑战。

2025岁首，北京科技大学前沿交叉科学工夫算计院张跃院士及张铮教化团队等东谈主在《Nature Materials》上发表焦虑算计后果，建议了一种名为“二维Czochralski（2DCZ）”的范例，可在常压下快速孕育厘米级、无晶界的单晶MoS₂晶畴，其均匀性高、裂缝密度低。基于该材料的场效应晶体管良率高，移动率变化小。2DCZ范例为晶圆级高质料二维半导体材料制备提供新途径，推动传统孕育范例创新，助力下一代集成电路制造。

澳门科技大学/昆士兰理工大学/莫纳什大学：

通用拾放金属电极滚动工夫

2025岁首，澳门科技大学邢凯健博士、欧清东助理教化连络昆士兰理工大学祁东晨副教化、莫纳什大学 Michael S. Fuhrer 院士团队，在 ACS Nano 发表论文，建议通用拾放金属电极滚动工夫，措置传统金属集成到范德华（vdW）异质结构时的材料絮叨与往来电阻问题。

该工夫绕开糟跶层，借助氢化金刚石名义低粘附性和无吊挂键特质，以PC/PPC为绪论，竣事预图案化金属的高效剥离与精确滚动。成功滚动8种金属（功函数 4.22eV-5.65eV），在少层TMD材料上构建了双极性场效应晶体管、肖特基势垒二极管等器件。该工夫粗浅可靠、兼容性强，可应用于垂直晶体管等多种器件。跟着大面积金刚石晶圆发展，有望竣事晶圆限度器件制造，为空气明锐二维材料器件提供可靠制造策略，也为关联量子态等新物理算计开辟谈路。

二维半导体材料异质外延，焦虑进展

2024年12月，上海应用工夫大学团队联袂国科大杭州高级算计院、好意思国麻省理工学院（MIT）等国表里单元，在二维半导体材料异质外延方面取得进展。异质外延半导体材料是高性能光探伤的中枢，但受晶格匹配铁心，单一衬底上的异质外延易产生高晶格应变，导致界面质料着落与晶体裂缝，且开采与工艺复杂崇高。

团队依托“光探伤材料与器件”上海高水平创新团队等平台，通过“面内自适合异质外延”策略，在c面蓝相持衬底上竣事二维半导体单晶材料的高取向外延孕育。该范例通过晶体取向30°旋转调控压应力与拉应力，竣事应变可容忍性，使异质外延单晶与衬底形成可控界面应变。基于该材料的光探伤器件性能优于非外延器件，为高性能光探伤工夫突破提供撑抓。

上海微系统所：

开发面向二维集成电路的单晶金属氧化物栅介质晶圆

2024年8月，中国科学院上海微系统与信息工夫算计所（上海微系统所）狄增峰算计员团队在面向低功耗二维集成电路的单晶金属氧化物栅介质晶圆研制方面取得突破性进展，关系后果以《面向顶栅结构二维晶体管的单晶金属氧化物栅介质材料》为题，发表于外洋学术期刊《当然》。

二维半导体沟谈材料枯竭适配的高质料栅介质材料。传统硅基非晶栅介质材料名义吊挂键多，与二维半导体材料形成的界面存在大都电子陷坑，影响晶体管性能；单晶栅介质材料虽能与二维半导体沟谈材料形成无缺界面，但孕育所需的高温及后退火处理，易损害二维半导体材料或形成意外掺杂，形成不睬想的栅介质 / 二维半导体界面，界面态密度高达 1011 cm?2 eV?1 独揽，难以契合改日先进低功耗芯片发展需求。

在此逆境下，团队开发单晶金属插层氧化工夫，室温下制备出单晶氧化铝（c-Al₂O?）栅介质晶圆。以锗基石墨烯晶圆为衬底孕育单晶Al（111），借助石墨烯与单晶金属Al（111）间较弱的范德华作使劲竣事4英寸晶圆无损剥离，名义呈原子级平整；在极低氧怨恨围中，氧原子可控插入Al（111）晶格，形成踏实、化学计量比精确的 c-Al₂O?（0001）薄膜晶圆。通过自瞄准工艺制备的低功耗 c-Al₂O?/MoS₂晶体管阵列性能一致，击穿场强 17.4 MV/cm、栅走电流 10?? A/cm2、界面态密度 8.4×10? cm?2 eV?1，均闲适外洋器件与系统蹊径图要求，为二维集成电路发伸开辟新旅途。

宾夕法尼亚州立大学：

攻克CMOS 与 2D 材料集成挑战

互补金属氧化物半导体（CMOS）与二维材料的集成是电子器件发展的难点。宾夕法尼亚州立大学算计东谈主员开发了基于 CMOS 工夫的二维单指示集计较机，哄骗大面积 n 型 MoS₂和 p 型 WSe₂场效应晶体管的异质集成，克服了这一挑战。

团队通过调解 n 型和 p 型二维 FET 的阈值电压（优化沟谈长度、领受高 κ 栅极电介质、更正材料孕育与后处理），竣事高驱动电流与低亚阈值走电。电路可在 3V 以下电压运行，频率达 25kHz，功耗低至皮瓦级，开关能量约 100pJ。这是初次十足由二维材料构建的 CMOS 计较机，结合了金属有机化学气相千里积（MOCVD）孕育的大面积 MoS₂和 WSe₂晶体管，为二维材料在集成电路中的应用奠定基础。

加利福尼亚大学圣巴巴拉分校：

二维半导体材料应用于三维晶体管新进展

二硫化钨（WS₂）等二维过渡金属硫化物（TMDs）因私有电学和结构性质，成为后硅基 CMOS 场效应晶体管（FETs）的潜在沟谈材料，在亚 10 纳米沟谈长度下阐扬优异。但现存器件存在肖特基往来、沟谈厚度调控等问题，铁心了尺寸缩减与性能擢升。

加利福尼亚大学圣巴巴拉分校Arnab Pal、Kaustav Banerjee课题组缠绵了基于2D TMDs的新式3D晶体管框架——2D NXFETs。通过非均衡格林函数目子传输模拟结合密度泛函表面数据，优化了器件电学性能与缩放特质，抽象酌量肖特基往来非理想性、量子化效应及寄生电容等身分。算计发现三层 WS₂在低待机功耗和高性能应用中阐扬出色，能量 - 延伸积擢升超55%，延续了CMOS器件在亚5纳米圭臬的缩放才调。团队建议的2D纳米板场效应晶体管（2D NPFET）结构，集成密度和驱动电流显耀擢升，相通面积下性能较传统硅基3D晶体管擢升近10倍。

碳纳米管+单层MoS₂，

构建极限尺寸的垂直晶体管

ACS算计通过结构创新，初次将高下交叉碳纳米管与单层TMD垂直集成，措置了栅控屏蔽与隧穿败露难题，为极限尺寸低功耗2D逻辑器件提供可行范式。

基于石墨烯和TMD异质结构的垂直场效应晶体管（VFET），通谈可裁汰至单层TMD厚度（约0.65nm），是竣事尺寸极限的理想决策，但传统结构存在石墨烯层屏蔽栅极电场、大面积往来导致关断态隧穿电流偏高的问题。新结构领受顶部 CNT/单层MoS₂/底部CNT三明治结构，通过极小垂直结面积扼制Off态隧穿电流，电场从底部CNT侧壁径直穿透MoS₂沟谈，有用克服屏蔽问题，竣事强栅控。

二维MoS₂柔性晶体管引颈中限度IC更动

二维半导体兼具出色的电学性能和机械柔性，为柔性集成电路（ICs）的发展提供了极具诱惑力的应用远景。尽管已有显耀进展，但当今展示的二维柔性IC经常仅限于竣事基础逻辑门和环形动荡器，集成限度仅有少数薄膜晶体管（TFT），在电路限度和功能性上存在彰着差距。

该算计展示了基于二维半导体MoS2集成100多个TFT的中限度柔性集成电路，该电路集成了组合逻辑单元和时序功能单元。通过对制程工艺的协同优化，成功竣事了高产率、均一性精湛的柔性MoS₂ TFT，同期构建了具有精湛全跨轨操作性能的柔性NMOS反相器。

领受阻抗调制来创建增强型 (E-mode) 和糟践型 (D-mode) 晶体管，并进一步竣事基于零Vgs负载逻辑的NMOS反相器。柔性MoS2晶体管阐扬出精湛的天真性和一致性。

此外，该缠绵确保了具有满盈噪声容限的适当轨到轨操作，这对于确保万般数字元件的踏实运行至关焦虑，使其成为构建中限度复杂电路的理想模范单元。为此，团队展示了组合和时序逻辑电路，结合了半加器、锁存器、触发器和中限度时钟分频模块等代表性元件，为数字 IC 和 IoE 系统提供了潜在的应用。

中科院物理所：

基于二维半导体的中等限度柔性集成电路

二维半导体结合非凡电学性能与机械柔韧性，为柔性集成电路（ICs）提供发展机遇。但迄今为止展示的二维柔性集成电路仍局限于基本的逻辑门和环形动荡器，其最大集成限度仅为少数薄膜晶体管（TFTs），在电路限度和功能方面存在显耀差距。

2025年1月，中科院物理所张广宇、李娜&杜罗军算计员等东谈主连络发表了题为Medium-scale flexible integrated circuits based on 2D semiconductors的著作，展示了基于二维二硫化钼（MoS₂）的中等限度柔性集成电路，集成了组合逻辑和时序逻辑元件。通过对制造工艺的协同优化，竣事了具有高器件良率和一致性的柔性MoS₂薄膜晶体管，以及具有踏实轨到轨（rail-to-rail）操作的柔性NMOS反相器。此外，在柔性基底上成功构建了典型的集成电路模块，如NAND、XOR、半加器和锁存器。终末，基于边沿触发触发器电路，展示了一个由112个MoS₂薄膜晶体管构成的中等限度柔性时钟分频模块。该职责将二维柔性集成电路的限度擢升至中等水平，为万物互联、健康监测和植入式电子等领域的凡俗应用展现了焦虑的发展远景。

通过协同优化制造工夫，成功竣事了基于MoS₂薄膜晶体管（TFTs）的中等限度柔性集成电路。此外，AlO?掺杂工夫和零栅源电压负载逻辑成就的实施，使得反相器省略竣事踏实的轨到轨操作，为构建可靠的中等限度电路奠定了坚实基础。值得肃穆的是，具有正确逻辑功能的组合电路和时序电路均得到了考据，并可进一步集成到省略履行特定指示的功能电路模块中。这项职责将二维柔性集成电路的限度擢升至中等水平，记号着在可穿着电子、可折叠智能末端和万物互联（IoE）应用等践诺应用领域迈出了焦虑一步。

南大团队将二维半导体集成电路推向千兆赫兹

2023年，南大电子科学与工程学院王欢然教化、施毅教化提示的团队在二维半导体集成电路领域取得突破性进展。通过缠绵-工艺协同优化（DTCO），开发出空气隔墙晶体管结构，大幅数落寄生电容，在外洋上初次竣事了GHz频率的二维半导体环形动荡器电路，比原有记录擢升200倍，并预测了二维半导体应用于1nm节点集成电路的后劲与工夫旅途。

该后果不仅初次竣事了GHz二维半导体集成电路，而且展示了DTCO在减少非理想寄收效应、在繁密量度中找到性能/功耗/面积最优解的枢纽作用，为高性能二维集成电路发展指明了标的。

通过上述算计和进展能看到，二维半导体正迟缓开释产业后劲，加快从实验室到限度市集落地的跃迁旅途。

二维半导体：

产业化挑战与潜在发展旅途

需要肃穆的是，著作中指出：IMEC算计，到2039年，基于二维材料的第二代2DFET将成为主流。不外，引入二维材料的同期仍附带一系列挑战，会增多向A2节点导入时的资本和集成难度。

IMEC建议了多方面的挑战与问题：

二维材料的千里积：当先，要如安在晶圆上形成2D材料层是一大挑战。对于需要高性能器件的应用，主要有两条蹊径：

1）径直在主张衬底上孕育2D材料。

径直孕育经常需要特定衬底，况兼在高温（约1000℃）下进行。若是需要与工业兼容的工艺和材料，则这种孕育衬底有时理想，不利于高晶化度，从而数落薄膜性能。不外，径直孕育可能具备一致性好、可隐私整片晶圆以及与工业经过相容等优点。

2）在“孕育衬底”上先行孕育，然后再将该层滚动到主张衬底。

第二种范例是在外部“理想”衬底上孕育，得到高性能薄膜后，再将其滚动到主张晶圆。滚动自己温度可低得多（约300℃），与径直孕育比较可幸免对主张晶圆过度加热。关联词，滚动增多了经过门径，也可能影响资本与制程良率。

栅极叠层与介电千里积：第二项挑战与栅极叠层及介电质千里积关系。有兴味的是，促使二维材料能作念到超薄的主要原因（即2D原子层之间仅有很弱的范德华力）也使得介电层千里积愈加复杂。这些薄层名义险些无吊挂键，使得传统在硅上使用极为熟练的千里积范例（原子层千里积ALD）变得贫瘠。

低电阻源/漏往来：第三大挑战是形成低电阻的源极/漏极往来。对硅而言，通过在源漏区与金属相往来时生成肖特基势垒，并通过隧穿注入载流子，从而得到低往来电阻。常用范例包括对源漏区进行高掺杂，或在其上形成金属硅化物。关联词这些范例在超薄的二维材料层上尽头贫瘠。科研东谈主员因此在探索替代决策。

二维材料的掺杂：不仅是为了获取低电阻往来，还需要掺杂来波折沟谈的阈值电压（Vth）以及数落寄生电阻。但对2D材料进行传统离子注入会严重絮叨其晶格，进而显耀数落其传输特质。因为在如斯极薄的结构中，即使替换一个晶格原子也会产生远比三维材料更严重的影响。当今仍在探索其他掺杂表情（如静电掺杂或名义掺杂），但尚无公认的明确措置决策。

p型FET与n型FET：在CMOS工夫中，n型和p型FET齐不能或缺。对传统CMOS来说，硅既可作念n型，又能作念p型；但尚无发现任何单一2D材料可同期闲适n型与p型器件的最好性能：举例MoS2适合作念n型，而WSe2最具p型后劲。

制造集成及对可靠性与一致性的更高需求：迄今，大部分算计主要在实验室进行，可在厘米级样品上作念hero devices。但要走向与300mm晶圆兼容的工业限度出产，需要大都研发插足。与此同期，器件的可靠性与一致性也必须得到大幅擢升。

抽象来看，二维半导体材料的产业化程度中，其挑战邻接材料制备、工艺集成、器件性能、限度化出产才调、产业链协同等全链条。

针对二维材料在芯片领域的发展，业界行家和算计机构建议了以下潜在旅途：

1) 充分哄骗二维材料尺寸微缩的上风，在数字和模拟电路领域发展全二维系统。尽管当今在器件方面取得了显耀的进展，但将二维材料延续整合到现存先进工艺节点并建立全套生态体系仍存在巨大挑战；

2) 发展异质集成芯片工夫，如基于硅与二维材料的堆叠芯片或分区集成工夫(如Chiplet工夫)；这沿途径充分哄骗现存硅基熟练的生态，进一步发展与硅基兼容的二维材料集成工艺，是当今最具远景的旅途之一；

3) 当今对于主流应用来说，二维材料暂时无法取代熟练的块体材料，如Si和GaN等；但哄骗二维材料的上风，如低职责电流和走电流以及多功能特质，可能在相对低的材料质料要求下，聘请性应用于部分场景，包括低功耗器件、柔性传感器和神经形态计较等。基于现存的相对低资本的工艺，有望在不久的将来推动二维材料的产业化。

预测改日，二维半导体材料的崛起不仅是工夫迭代，更是产业生态的重构。

短期（3-5年）：二维材料将在低功耗边缘计较芯片、高性能光电器件及柔性高慢领域率先买卖化，举例原集微霸术2029年量产二维材料边缘算力芯片，而三星、LG等厂商已探索二维材料在Micro LED中的应用。

中期（5-10年）：跟着12英寸晶圆量产工夫熟练，二维材料有望在3纳米以下逻辑芯片及存算一体架构中大限度替代硅基材料，推动芯片能效比擢升10倍以上，同期催生新式三维异构集成工夫（如逻辑层二维材料与存储层硅基器件的垂直整合）。

遥远（10年以上）：二维材料可能成为量子计较、光量子通讯及生物电子等颠覆性工夫的中枢载体，其原子级厚度与量子特质为下一代信息工夫提供无穷设想空间。

二维半导体材料正从实验室稳步迈向产业舞台中央，其发展不仅是一场工夫突破，更将重塑寰球半导体供应链的权柄景观。中国凭借政策扶抓、工夫积淀与产业链协同上风，有望在这场变革中占据战术制高点，而寰球竞争的加重，必将加快材料科学、制造工艺与应用场景的全所在创新。

这一程度中，二维材料绝非仅是“延续摩尔定律的补丁”，更是开启“尽头摩尔时间”的枢纽钥匙。改日，它将深度整合逻辑电路、存储、传感、光电集成等领域，推动电子系统向高度异质化演进，深切重塑东谈主类对信息处理、能源波折乃至生命科学的融会规模。

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