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二维半导体离产业化还有多远?

2018-10-13
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来源:内容来自「 SIMIT战略研究室」,作者 刘强,谢谢。


近年来,二维半导体的应用研究获得了蓬勃发展,它是最有可能替代硅基材料的新一代半导体。同时,我们也认识到,二维半导体距离产业化还有相当长的一段路程,在当前的技术路径中仍然存在着一些难以克服瓶颈问题。本文梳理了二维半导体的发展过程,总结了其在产业化的过程中面临的挑战,并对该材料的产业化应用进行了讨论。


一、二维半导体的研究获得了蓬勃发展


2004年,两位俄裔英国科学家(安德烈•海姆和康斯坦丁•诺沃肖洛夫)成功得到了单层石墨烯。石墨烯具有机械强度高、导热系数高、高迁移率、超薄透明、柔性可卷曲等优点,这一发现掀起了人们对二维材料研究的热情。尤其在半导体领域,我们希望利用这一新型的二维结构,开发出更丰富的应用场景,同时给行将终结的摩尔定律注入新的希望。


由于大面积的石墨烯带隙为零,并不是半导体,在大规模集成电路中,石墨烯并不是一种理想材料。我们希望找到一种具有类石墨烯结构的、具有合适带隙的二维半导体材料。经过多年的研究积累,研究者们发现了数十种二维半导体材料,其中具有代表性的有:过渡金属硫族化合物、黑磷、硅烯、锗烯、纳米带石墨烯,以及少量的镓、铅、铋的硫族化合物等。下图整理了常见的二维半导体材料。图中由箭头连接的两类元素可以构成二维半导体化合物,没有箭头连接的元素则是单晶二维半导体。此外,氮化硼(BN)并不是半导体,但它是一种非常重要的二维绝缘体材料,在二维半导体的研究中扮演着十分重要的角色。

 

图:重要的二维薄膜材料组合图


二、基于二维半导体材料的基础研究已趋近完善


近年来,随着众多研究者投入二维半导体这一领域,二维半导体材料的众多性质已经基本被掌握,数十万计的研究成果被发表,人们对二维半导体的合成、掺杂、能带结构、晶格结构、界面效应、光电特性等一系列物理化学效应的研究已日趋完善。在此基础上,研究者们开发了多种基于二维半导体的应用器件/电路:如单个的NMOS/PMOS器件\反相器、SRAM、NCFET、纳米器件、光电探测器、生物传感器、存储器、柔性电路、小型集成电路等。

 

图:基于二维半导体的应用研究


在众多应用场景中,二维半导体都有不俗的表现,展现了其作为硅基材料的有力替代者的潜力。采用二维半导体的场效应晶体管,有望将其沟道长度缩小至2nm。此外,二维半导体在异质集成、三维集成等领域也具有较好的发展前景。斯坦福大学的研究小组基于碳纳米管和二维半导体材料已经开发出了一种新型的三维集成技术:N3XT,并成功制备出了电路样品。


三、二维半导体的瓶颈


我们看到,二维半导体在多种应用场景中表现出了巨大的发展潜力。但二维半导体距离实际应用还存在着相当长的一段距离。在当前的技术路径中,还存在着一些瓶颈问题,我们对这些问题进行了梳理: 

 

图:二维半导体的技术瓶颈


1、二维半导体材料单晶薄膜难以大面积制备。集成电路的衬底一般是具有相当面积的半导体单晶。在二维半导体的制备过程中,一般通过CVD、ALD等设备沉积大面积二维半导体薄膜,薄膜的形成一般通过成核生长、形成岛状薄膜、薄膜的拼合来完成的。在成膜过程中,岛状薄膜的晶向是难以控制的,因而薄膜拼合时,会形成大量的晶界(即缺陷);此外,由于衬底上各点的成膜速率不同,操作者难以精确控制二维半导体的层数,而层数的不同会显著影响薄层二维半导体的电学性能。


2.二维半导体材料容易剥离。二维半导体材料的层间结合是通过范德瓦尔斯力完成的,这使得二维材料易于剥离、分层。同时,在二维半导体的流片过程中,受到超声、冲洗、热应力释放等作用的影响,其相应器件也容易剥离掉,这给大规模集成电路的制造、电路的稳定性带来了极大挑战。


3.二维半导体材料的界面干扰问题。二维半导体具有独立的二维结构,不与相邻材料形成化学键。在器件制备过程中,难以稳定地控制金属/半导体的接触电阻;难以在较大面积的集成电路中,保证一定水平的缺陷/界面态浓度。因而难以获得均一的器件电学特性,也就难以保证集成电路的工作性能。我们注意到,已经有部分研究者提出了较好的解决方案,如湖南大学的研究团队通过氮化硼插层构建载流子隧穿结,并得到了较低的接触电阻。


四、二维半导体离产业化还有多远?


毫无疑问,二维半导体是具备产业化潜力的,但要在传感器、集成电路等领域实现二维半导体的产业化,至少还需要以下条件的支持:


1.颠覆性的工艺技术。当前的二维半导体研究,基本借鉴了硅工艺中常用的技术手段。考虑到二维半导体独特的物理结构,有必要针对性地开发新的工艺技术,突破二维半导体的制备、流片过程中存在的一系列技术瓶颈,根本性地解决二维半导体器件/电路的可靠性问题。


    2.形成通用的工艺标准,可靠的IP模组。当前的二维半导体仍处于基础研究阶段,没有统一的技术标准,鱼龙混杂。对于现有的器件模组,难以转移到标准的工艺产线上来。我们必须将二维半导体工艺中特殊的工艺参数标准化,否则难以确保二维半导体模块的工艺良率,也就无法大规模量产。


    3.科研工作者与产业界的紧密合作。要将实验室中已有的理论成果转移到产业界,科研工作者与产线工程师必须进行紧密的技术合作。一个良好的中试平台,将极大地促进二维半导体技术标准的形成,同时也会更加全面地评估二维半导体产品的成本、性能和市场规模,为后期产业化做好必要准备。


    可以预见,起码在近十年中,二维半导体材料还不具备大规模取代硅基材料的能力。我们难以断定二维半导体是否会胜出。但与此同时,我们也应该注意到,颠覆性技术的出现往往会重新书写整个半导体领域的格局。要知道,世界上第一个晶体管并不是硅基的,而是在锗衬底上实现的;在数十年前MOS技术没有成熟的时候, BJT才是集成电路的主角。


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