集成电路技术经历了不断更新迭代，但面对硅材料的固有极限，先进工艺尺寸微缩已变得难以为继。人们正在寻找新的材料来弥补硅的不足，二维（2D）半导体由于其超薄的原子晶体结构和独特物理特性，被认为是极具希望的候选材料。复旦大学微电子学院周鹏教授团队探索为二维半导体和硅技术搭桥，提出单片“硅上”（硅作为基底，On-Silicon）和“与硅”（与硅器件/电路实现功能集成，With-Silicon）概念，聚焦讨论了材料合成、器件设计和电路集成的相应要求，总结了二维材料在以硅为主导的半导体行业中发挥的作用，并提出未来发展方向，以及可能成为主流的技术。相关长文综述以“Two-dimensional devices and integration towards the silicon lines”为题发表于《自然·材料》（Nature Materials）。
晶体管物理尺寸遵循登纳德(Dennard)缩放比例，并随着掺杂复杂性和栅极漏电而达到顶峰，随后在架构迭代和优化方面做出努力，以减轻短沟道效应。在鳍式晶体管（FinFET）取得显著成功之后，最先进的新架构如多桥沟道晶体管（MBCFET）和互补型晶体管（CFET）相继出现进一步延续摩尔定律。然而，体硅表面和内部缺陷不可避免地导致载流子迁移率在亚4纳米后出现急剧下降。尽管技术在不断进步，但固有的晶格和量子隧穿限制意味着硅材料微缩在可预见的未来将走向尽头。
2D半导体无悬挂键的钝化表面能够将散射效应降到最低，保证了原子级薄层下迁移率不发生退化。此外，短沟道器件的电流密度与90纳米节点的应力硅晶体管电流密度相当，接近国际器件和系统路线图的高性能和低功耗2028年目标。当下2D材料已不仅仅在学术界具有极大的研究价值，英特尔、台积电、IMEC等半导体巨头也纷纷布局。然而，在硅主导的半导体行业中，2D器件与电路的发展仍然缺乏明确和统一的方向。例如大多数2D器件和电路只使用硅晶圆作为衬底，而没有真正做到与硅技术的集成。 鉴于硅技术成熟度，以及2D材料与硅产线前道（FEOL）和后道（BEOL）工艺的兼容性，将它们异质融合到现有硅产线，实现与硅技术功能集成是一种有前景的方案。
图1. 基于二维半导体的“硅上”风洞平台用于指导器件/电路优化
本工作重点介绍了与硅技术相结合的里程碑式工作，从用于异质光子ICs的2D光电子器件到在硅产线上实现的晶圆级2D晶体管；在电路方面全面回顾了现阶段的单片“On-Silicon”和“With-Silicon”进展。并对推向产线所需的晶圆级材料合成、器件设计、电路集成的要求和可行方案进行了讨论。最后在总结中对2D材料正在发挥的作用和未来的主流方向进行了展望，包括作为“On-Silicon”风洞平台引导硅技术向More Moore发展，及利用“With-Silicon”混合集成为新兴的More than Moore应用扩展功能。以新材料、新器件为基础的先进集成电路与芯片研究中，我国处于领先地位，科研力量充足和积累丰富，如在研发投入支持下到2035年有望主导新体系半导体技术。
图2. 基于二维半导体的“与硅”混合集成用于功能扩展
复旦大学微电子学院博士后王水源，硕士生刘笑先，芯片与系统前沿技术研究院青年副研究员刘利伟，浙江大学微纳电子学院徐明生教授为共同第一作者，浙江大学杨德仁院士给予了宝贵的意见。复旦大学微电子学院周鹏教授为通讯作者。该项工作得到了国家自然科学基金委，上海市科学技术委员会，国家重点研发项目资助。
原文链接：https://www.nature.com/articles/s41563-022-01383-2
