打破摩爾定律極限，在芯片上“蓋樓房”，NBD對話科研團隊

每經記者 李孟林    每經編輯 高涵    

ChatGPT的大火帶動了生成式人工智能（AI）產業的爆發式增長，巨大的算力需求催生著先進芯片的研發。在芯片先進制程已經逐漸逼近極限的情況下，如何進一步提高芯片上的晶體管密度成為半導體科研的核心議題。

近日，來自麻省理工大學的科研團隊突破了在硅基晶圓上“生長”二維材料晶體管的技術，為未來多層堆疊晶體管鋪平了道路。

領銜該研究的麻省理工大學博士生朱嘉迪對《每日經濟新聞》（NBD）記者表示，本次研究成果非常適合新型二維材料電路和傳統硅基電路的有效快速融合，而柔性的二維材料非常適合整合到多種材料表面，未來生活中的衣服上都可能有芯片加持。

“我們的工作就像修建多層建筑，常規的（芯片設計）情形就好比只有一層樓，上面站不了多少人，但如果有多層樓，就可以容納更多人，讓神奇的新事情發生，”朱嘉迪生動比喻道。

芯片上“長出”原子級薄晶體管

芯片研發的歷史大體遵循了著名的摩爾定律，即每18個月到兩年時間，芯片的性能就會翻一倍，這意味著芯片上的晶體管密度越來越高。芯片性能常用“制程”來衡量，28納米為成熟制程與先進制程的分界線。當前，先進制程的量產芯片已經來到了3納米的范圍，未來還將繼續朝向1納米進軍。

然而，1納米制程通常被認為是摩爾定律增長的極限，因此芯片研究界正在探索以超薄的二維材料制造晶體管，通過層層疊加的方式實現晶體管密度的進一步突破。

4月27日，朱嘉迪所在的團隊在《自然-納米技術》雜志上發表論文，以一種新型技術實現了在硅基電路上“生長”二維材料晶體管，解決了這一技術路徑的高溫挑戰，并大幅提高了生成速度。這一論文引發了廣泛關注，甚至有人認為該技術可以為逼近極限的摩爾定律“續命”。

手持8英寸晶圓的朱嘉迪 圖片來源：朱嘉迪科研團隊

“摩爾定律既要求晶體管尺寸的縮小，也要求集成電路有效面積的增加。我們近期的工作主要針對第二個要求——在不增加芯片面積、不要求晶體管尺寸縮小的同時，直接在硅基電路上低溫生長二維材料并加工電路，這有效地增加了電路集成密度，”朱嘉迪向《每日經濟新聞》解釋道。

此前也有科學家嘗試過用“有機金屬化學氣相沉積法”將二維材料直接生長到硅CMOS晶圓上，但由于這一過程需要600℃的溫度，但硅晶體管和電路在400℃就會損壞，因此高溫問題一直是攔路虎。如果在別處合成二維材料再移植至晶圓上，又會遇到性能損耗的問題，并且這一過程難以規模化。

朱嘉迪團隊采用的二維材料名為二硫化鉬，厚度僅為三個原子，即兩個硫化物原子夾住一層鉬原子構成。這是一種柔性、透明的材料，擁有出色的電學和光學性能，非常適合制作半導體晶體管。

該團隊的主要創新之處是設計了一種新的爐子，分為前端的低溫區和后端的高溫區。晶圓被放在低溫區，而相關有機金屬的氣化物質被送入高溫區，受熱分解后回流至低溫區，并在晶圓表面合成二硫化鉬（即所謂的生長過程）。這種設計避免了對晶圓的損害，也免去了移植二硫化鉬的過程。

此外，晶圓在低溫區以垂直方式放置，這一方法提高了二硫化鉬合成的均質性，并提高了合成的速度。據論文，此前的合成方法通常需要一天多的時間來生長二硫化鉬，而朱嘉迪團隊則只需要不到一個小時。

未來衣服上有芯片加持？技術產業化仍需時日

“我們此次的工作主要解決了三個問題：8英寸晶圓級二維材料的均質生長；與硅基工藝兼容的二維材料低溫生長工藝；將二維材料電路和硅基電路進行后道集成/三維集成的方法。這三點都是將二維材料引入芯片加工的關鍵步驟，”朱嘉迪對《每日經濟新聞》記者表示。

據悉，8英寸晶圓是當今芯片生產的主流尺寸，因此二維材料生成達到這一級別對于實際工業應用非常重要。另一方面，作為替代的碳基芯片技術仍在科研探索階段，硅基芯片仍是主流技術路線。朱嘉迪表示，其團隊的8英寸生長工藝和后道集成工藝，非常有利于在工業界實現新型二維材料電路和傳統硅基電路的有效快速融合。

南加州大學材料科學系助理教授Han Wang認為，朱嘉迪團隊的工作是單層二硫化鉬材料合成工藝上的重要進步，為未來的實際應用鋪平了道路。朱嘉迪團隊也表示，下一步的工作是對工藝進行微調，以實現多層二維材料的堆疊。

不過，實驗室成果和大規模工業生產還不是一回事。朱嘉迪對每經記者表示，要想實現這項技術的產業化，還需要進一步提高材料質量，提升生長過程的穩定性和對生長過程中的潛在污染進行控制等等。

除了傳統芯片的應用外，由于加工過程溫度較低、二維材料的柔性和透明等特性，在朱嘉迪團隊的設想中，這項技術未來還可以在廣泛用于聚合物、紡織品等材料的表面，也許未來人們穿著的衣服上面也會有芯片加持。

圖片來源：視覺中國

“在未來的社會，隨著物聯網的發展和普及，個人數據終端也會被公共電子設備的普及所代替。柔性電子作為我們這個技術的潛在發展方向，可以使透明電子電路附著在大部分物體的表面，并實現網絡互聯。這些電路可以為人們提供隨時隨地的顯示、通訊、計算服務，讓人們的生活更加智能便捷?；谌嵝噪娮拥目焖俳】禉z測設備，通訊設備也都是我們這項技術發展的潛在方向，”朱嘉迪對每經記者說道。

實際上，從本科階段開始，朱嘉迪就堅信微電子領域將在未來10到20年發生顛覆性的突破，從而帶來人們生活水平的極大改善，這也是他熱情投入芯片研究的原因之一。

然而，在他和團隊的研究成果發布后，成為了不少自媒體炒作的對象。集微咨詢資深分析師錢禹認為，應該客觀看待朱嘉迪團隊的成果。

“這種二維材料做晶體管并不是零的突破，早就有人做了。（朱嘉迪團隊成果）更多是工程和材料手段上的進步，并非學科上的突破?？梢援攤€論文來看，但推動產業進步的效果還是未知數，”錢禹對《每日經濟新聞》記者表示。

據悉，清華大學集成電路學院任天令教授團隊2022年在《自然》發布論文，首次實現了具有亞1納米柵極長度的晶體管，其中就使用到了單層二維二硫化鉬薄膜。

封面圖片來源：視覺中國