打破摩尔定律极限，在芯片上“盖楼房”，NBD对话科研团队

ChatGPT的大火带动了生成式人工智能（AI）产业的爆发式增长，巨大的算力需求催生着先进芯片的研发。在芯片先进制程已经逐渐逼近极限的情况下，如何进一步提高芯片上的晶体管密度成为半导体科研的核心议题。

近日，来自麻省理工大学的科研团队突破了在硅基晶圆上“生长”二维材料晶体管的技术，为未来多层堆叠晶体管铺平了道路。

领衔该研究的麻省理工大学博士生朱嘉迪对《每日经济新闻》（NBD）记者表示，本次研究成果非常适合新型二维材料电路和传统硅基电路的有效快速融合，而柔性的二维材料非常适合整合到多种材料表面，未来生活中的衣服上都可能有芯片加持。

“我们的工作就像修建多层建筑，常规的（芯片设计）情形就好比只有一层楼，上面站不了多少人，但如果有多层楼，就可以容纳更多人，让神奇的新事情发生，”朱嘉迪生动比喻道。

芯片上“长出”原子级薄晶体管

芯片研发的历史大体遵循了著名的摩尔定律，即每18个月到两年时间，芯片的性能就会翻一倍，这意味着芯片上的晶体管密度越来越高。芯片性能常用“制程”来衡量，28纳米为成熟制程与先进制程的分界线。当前，先进制程的量产芯片已经来到了3纳米的范围，未来还将继续朝向1纳米进军。

然而，1纳米制程通常被认为是摩尔定律增长的极限，因此芯片研究界正在探索以超薄的二维材料制造晶体管，通过层层叠加的方式实现晶体管密度的进一步突破。

4月27日，朱嘉迪所在的团队在《自然-纳米技术》杂志上发表论文，以一种新型技术实现了在硅基电路上“生长”二维材料晶体管，解决了这一技术路径的高温挑战，并大幅提高了生成速度。这一论文引发了广泛关注，甚至有人认为该技术可以为逼近极限的摩尔定律“续命”。

手持8英寸晶圆的朱嘉迪 图片来源：朱嘉迪科研团队

“摩尔定律既要求晶体管尺寸的缩小，也要求集成电路有效面积的增加。我们近期的工作主要针对第二个要求——在不增加芯片面积、不要求晶体管尺寸缩小的同时，直接在硅基电路上低温生长二维材料并加工电路，这有效地增加了电路集成密度，”朱嘉迪向《每日经济新闻》解释道。

此前也有科学家尝试过用“有机金属化学气相沉积法”将二维材料直接生长到硅CMOS晶圆上，但由于这一过程需要600℃的温度，但硅晶体管和电路在400℃就会损坏，因此高温问题一直是拦路虎。如果在别处合成二维材料再移植至晶圆上，又会遇到性能损耗的问题，并且这一过程难以规模化。

朱嘉迪团队采用的二维材料名为二硫化钼，厚度仅为三个原子，即两个硫化物原子夹住一层钼原子构成。这是一种柔性、透明的材料，拥有出色的电学和光学性能，非常适合制作半导体晶体管。

该团队的主要创新之处是设计了一种新的炉子，分为前端的低温区和后端的高温区。晶圆被放在低温区，而相关有机金属的气化物质被送入高温区，受热分解后回流至低温区，并在晶圆表面合成二硫化钼（即所谓的生长过程）。这种设计避免了对晶圆的损害，也免去了移植二硫化钼的过程。

此外，晶圆在低温区以垂直方式放置，这一方法提高了二硫化钼合成的均质性，并提高了合成的速度。据论文，此前的合成方法通常需要一天多的时间来生长二硫化钼，而朱嘉迪团队则只需要不到一个小时。

未来衣服上有芯片加持？技术产业化仍需时日

“我们此次的工作主要解决了三个问题：8英寸晶圆级二维材料的均质生长；与硅基工艺兼容的二维材料低温生长工艺；将二维材料电路和硅基电路进行后道集成/三维集成的方法。这三点都是将二维材料引入芯片加工的关键步骤，”朱嘉迪对《每日经济新闻》记者表示。

据悉，8英寸晶圆是当今芯片生产的主流尺寸，因此二维材料生成达到这一级别对于实际工业应用非常重要。另一方面，作为替代的碳基芯片技术仍在科研探索阶段，硅基芯片仍是主流技术路线。朱嘉迪表示，其团队的8英寸生长工艺和后道集成工艺，非常有利于在工业界实现新型二维材料电路和传统硅基电路的有效快速融合。

南加州大学材料科学系助理教授Han Wang认为，朱嘉迪团队的工作是单层二硫化钼材料合成工艺上的重要进步，为未来的实际应用铺平了道路。朱嘉迪团队也表示，下一步的工作是对工艺进行微调，以实现多层二维材料的堆叠。

不过，实验室成果和大规模工业生产还不是一回事。朱嘉迪对每经记者表示，要想实现这项技术的产业化，还需要进一步提高材料质量，提升生长过程的稳定性和对生长过程中的潜在污染进行控制等等。

除了传统芯片的应用外，由于加工过程温度较低、二维材料的柔性和透明等特性，在朱嘉迪团队的设想中，这项技术未来还可以在广泛用于聚合物、纺织品等材料的表面，也许未来人们穿着的衣服上面也会有芯片加持。

图片来源：视觉中国

“在未来的社会，随着物联网的发展和普及，个人数据终端也会被公共电子设备的普及所代替。柔性电子作为我们这个技术的潜在发展方向，可以使透明电子电路附着在大部分物体的表面，并实现网络互联。这些电路可以为人们提供随时随地的显示、通讯、计算服务，让人们的生活更加智能便捷。基于柔性电子的快速健康检测设备，通讯设备也都是我们这项技术发展的潜在方向，”朱嘉迪对每经记者说道。

实际上，从本科阶段开始，朱嘉迪就坚信微电子领域将在未来10到20年发生颠覆性的突破，从而带来人们生活水平的极大改善，这也是他热情投入芯片研究的原因之一。

然而，在他和团队的研究成果发布后，成为了不少自媒体炒作的对象。集微咨询资深分析师钱禹认为，应该客观看待朱嘉迪团队的成果。

“这种二维材料做晶体管并不是零的突破，早就有人做了。（朱嘉迪团队成果）更多是工程和材料手段上的进步，并非学科上的突破。可以当个论文来看，但推动产业进步的效果还是未知数，”钱禹对《每日经济新闻》记者表示。

据悉，清华大学集成电路学院任天令教授团队2022年在《自然》发布论文，首次实现了具有亚1纳米栅极长度的晶体管，其中就使用到了单层二维二硫化钼薄膜。

封面图片来源：视觉中国