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20多年前，为了提高速度、密度、功耗和成本而收缩晶体管的历史速度已经无法维持。然而，即使物理扩展速度较慢，电子产品制造商通过开发新材料、新器件和电路设计，以及芯片之间更快的通信，稳步改进他们的产品。
许多研究人员认为，通过将石墨烯和相关层状材料中自然形成的原子薄片制成晶体管，将有新的机会显著改善晶体管本身。将一种新材料整合到高度优化的、最先进的制造中并不容易，尽管工业界以前已经做到了这一点。它可以从将二维(2D)材料嫁接到传统芯片上开始，以提供特殊功能，如更好的互连或集成光学器件。加州大学洛杉矶分校(UCLA)的段祥峰表示:“某种形式的2D材料最终将被整合到电子产品中。”
石墨烯的梦想
石墨烯——碳原子排列在像鸡丝一样的薄片上——自2000年代中期以来一直是典型的2D材料，当时英国的物理学家意识到他们可以用胶带从一大块石墨上剥离单层石墨烯。(他们在2010年获得了诺贝尔奖。)
石墨烯和其他几种二维材料的特点是层内原子之间的共价键很强，而这些共价键又只能很弱地粘在一起。这使得可以很容易地复制出可能有几厘米宽但只有一个或几个原子厚度的材料薄片，这是制造短而快的场效应晶体管(fet)的理想材料。
此外，由于不需要破坏化学键，暴露的表面非常完美，几乎没有破坏层内电子运动的缺陷。石墨烯中的电子比普通半导体中的电子迁移率高得多，这也转化为速度非常快的晶体管。物理学家继续在石墨烯中发现奇异的新效应，比如当两片石墨烯片相对于彼此轻微旋转时，就会产生超导性。
然而，至少对于大型数字电路来说，石墨烯有一个致命的缺陷:它不是半导体。它是半金属，这意味着它的导电性永远不会变得很小。将几乎所有数十亿个晶体管转化为一个芯片完全关闭——电流比打开时小几个数量级——对限制其功耗至关重要。
多年来，研究人员提出了各种方法将石墨烯转化为真正的半导体，比如将其制备成狭窄的纳米带。用如此微小的细丝制造芯片是很困难的，正如它们的近亲碳纳米管所证明的那样。
“我们取得了很大的进步，但从规模整合的角度来看，这是一个巨大的挑战，”段说。“如果你想要6 - 9的产量(99.9999%)，那么组装这些纳米尺寸的材料就变得非常困难，无论是纳米带还是纳米管。”
尽管如此，学术研究人员仍在不断探索操纵石墨烯的新方法。最近，英国苏塞克斯大学的Manoj Tripathi和他的同事们证明，石墨烯薄片上的微小褶皱可以改变局部电子结构，这与传统双极晶体管中使用的掺杂变化类似。Tripathi说:“我们发现，一个小小的皱纹就能制造一个晶体管。”尽管他承认，要用这些微小的设备制造有用的电路还有很长的路要走。
超越数字逻辑
“一开始，人们认为石墨烯可以用于逻辑，但事实并非如此。它是半金属，所以总是开着，”石墨烯供应商Graphenea的首席科学官阿玛亚·祖鲁图扎(Amaia Zurutuza)说。该公司位于西班牙圣Sebastián。
尽管如此，石墨烯片已经被用于其他产品。
“我们正在追求的大多数应用(不是直接的，而是与客户合作)是将石墨烯与硅结合起来，”她说。例如，芬兰公司Emberion提供红外和热成像仪，利用石墨烯的半导体性质进行光探测，将这些层置于传统的硅集成电路之上。薄石墨烯层的表面灵敏度也可用于探测分子和光线。
石墨烯还可以用于替换或增强电路中连接晶体管的线路，这些线路也是在器件完成后形成的。
Zurutuza表示，从长远来看，各公司正在探索将薄石墨烯器件与硅光子学相结合的可能性。德克萨斯大学奥斯汀分校的Deji Akinwande表示:“传感器被认为是容易摘到的果实，因为它需要(在制造晶体管的敏感和高温工艺之后)的后端集成，所以集成的要求不那么严格。”类似地，基于石墨烯的内存可能在过程后期被堆叠在芯片上。
石墨烯还可以用于替换或增强电路中连接晶体管的线路，这些线路也是在器件完成后形成的。更致密的芯片需要更小的导线，而且通常“石墨烯比铜更坚固，”阿金旺德说。“它更可靠。它可以处理更多的电流。对于互连的许多指标，石墨烯基材料优于现有的铜，特别是在缩放节点上。”
除了石墨烯
“伸缩节点”指的是集成电路技术世代的有规律的连续，这是摩尔定律所规定的。在最初的几十年里，这几代以fet最短的栅极电极命名，其他尺寸按比例缩小。然而，这个标签在世纪之交失去了意义。阿金旺德说:“现在，整个扩大规模的概念都是模棱两可的。”“现在还不清楚这是否只是一个营销术语。”
对于研究人员来说，不幸的是，自2015年以来，半导体行业不再发布未来晶体管的详细规格。修订后的文件，设备和系统国际路线图，“更多的是一个系统级别的路线图，所以它没有提供设备的很多细节，”Akinwande说。“至少在学术界，如何推动边界向前发展是一种人人都可以自由选择的问题。”
领先的半导体制造商继续推动密度和性能的显著进步，但门的长度停止与标签同步。其中一个原因是，当晶体管变短时，很难缩小其垂直尺寸，这使得栅极电极可以通过静电控制通道来打开或关闭其导电性。尖端集成电路使用FinFET器件设计来实现这种控制。
尽管半金属石墨烯很薄，但它不能利用短通道效应的改进控制，但有许多其他层状材料本质上是半导体。研究最多的材料是过渡金属二卤代化合物，简称tmd或TMDCs，包括二硫化钼(MoS)2)、二硒化钨(WSe2)、二硒化铟(InSe2)和许多其他材料。(过渡金属包括元素周期表中间的几十种元素，而硫元素是第六组元素硫、硒和碲。)
Akinwande说:“甚至在五年前，几乎没有任何半导体行业公司投资于此，但现在你可以看到，内部研发正在涌现，试图将这些tmd集成到可伸缩节点中。”“它们的晶体管性能非常好。”相比之下，他说:“当你把硅做得越来越薄，以制造更小的晶体管时，移动性就会急剧下降。”
新型制造生态系统
比利时大学间微电子中心(IMEC)探索材料和模块项目经理Cedric Huyghebaert说，除了器件性能、工艺复杂性和热稳定性外，材料选择的一个重要考虑因素是毒性。作为欧洲一个名为2D-EPL(实验先导线)的新项目的技术负责人，他指出，硒化处理使用非常有毒的化学物质。由于如果以工业规模使用它们，将会带来环境健康和安全挑战，该项目目前的重点是硫化物有机化合物2和WS2，除了石墨烯。
数字金原子“岛屿”沉积在二维硫化钼层上，这是由麻省理工学院的研究人员使用一种新的扫描透射电子显微镜制作的。
Huyghebaert说，在目前大多数2D材料的探索中，“通常是在模板或催化剂金属上生长，然后转移到最终的晶圆上。”因为这个过程包括人工步骤，“它带来了很多变化，这是不符合半导体标准的。”
“2D-EPL项目试图建立一个生态系统”，Huyghebaert说，以支持和自动化这些过程，包括材料供应商、工具制造商和设备制造商。“只有拥有完整的生态系统，产品才有可能问世。”
相比之下，半导体制造商历来将材料作为分子沉积在部分加工过的晶圆上。Huyghebaert承认:“如果你能将这些2D材料直接生长到具有正确质量的非晶介质上，这将是首选的选择。”但到目前为止，还不可能以这种方式获得足够高质量的2D材料，特别是石墨烯。
此外，他还说，“转移之所以有趣的另一个原因是，它将允许你对这些2D材料进行异质堆积，”使用最近开发的垂直封装硅器件的技术将不同材料层组合起来。“从长远来看，转移非常薄的层……将对半导体行业和纳米技术产生非常大的影响。”
对于超短晶体管，Huyghebaert说:“TMDCs非常吸引人的地方是，它将重新打开两到三代经典缩放的大门。”不过，他说，即使规模化不成功，“也会有很多其他的机会，无论如何它都会带来回报。”
进一步的阅读
阿金旺德，王晓燕，王晓燕。等。
石墨烯和二维材料用于硅技术。大自然573年， 507-518(2019)。https://doi.org/10.1038/s41586-019-1573-9
刘颖，段晓明，申洪杰，段晓明等。
二维晶体管的前景与展望。大自然591年， 43-53(2021)。https://doi.org/10.1038/s41586-021-03339-z
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