近日，在《芯片，最新路线图》一文中，笔者分享了IMEC对未来14年半导体路线图的预测。
IMEC预测至2039年的路线图
能看到，随着先进制程节点的演进和晶体管架构的革新，二维半导体材料或将成为未来业界关注的焦点。
实际上，当前摩尔定律日益放缓，随着制程节点向物理极限不断逼近，硅基三维晶体管的制造结构日趋复杂，所需投入的成本呈现指数级攀升，而技术演进带来的边际效益却显著递减。
同时，为了保持摩尔定律的进展，创新的重点已从尺寸缩放转向功能性缩放。在从FinFET到Nanosheet，乃至未来CFET等晶体管架构的艰难跋涉中，业界深刻意识到：仅依赖硅基材料的三维堆叠技术，已难以支撑可持续的微缩与能效提升。寻求根本性的材料革新，成为突破瓶颈、开辟新增长曲线的关键所在。
在这一背景下，从传统硅基三维材料向二维半导体材料的战略过渡，迅速跃升为全球半导体研发与产业布局的核心焦点，吸引了全球科研人员与产业界的目光。
二维半导体，来势汹汹
众所周知，随着半导体制程向亚-纳米级逼近，硅基器件遭遇厚度波动散射、量子隧穿效应及短沟道效应等物理极限，导致性能显著退化，成为延续摩尔定律的主要障碍。三维堆叠技术虽能延续晶体管密度增长，但使用传统沟道材料进行3D集成将极具挑战性，对EUV光刻的纳米级对准精度依赖加剧了成本压力。
因此，二维材料作为沟道材料的引入为解决尺寸微缩挑战提供了创新方案。
凭借原子级厚度（0.3-10nm）与范德华异质结技术，二维材料可构建垂直场效应晶体管（VFET）实现10倍于 FinFET 的密度突破，在1nm栅长下仍保持10⁶开关比。其独特电学性能（如黑磷60000cm²V⁻¹s⁻¹迁移率）与量子特性（魔角石墨烯超导态、二硒化钨谷极化效应等），是下一代集成电路芯片的理想沟道材料。
同时，二维材料面向芯片应用具备优势。与传统的块状硅材料不同，二维材料在平面上表现出晶格周期性，通过控制二维材料的层数、异质结构等几何结构，或外加应变和电场，改变其晶格周期性，最终影响能带结构和带隙的大小。二维材料的不同晶格结构和原子排列产生了不同的电子能带结构，从而产生了宽的能带范围，涵盖了半金属、半导体和绝缘体。二维材料易于与其他材料集成，不受晶格常数匹配的约束。
随着AI、大数据时代的到来，一些新的计算架构和机制已经被引入下一代计算技术。得益于二维材料独特的性质，基于二维材料的存储器件、神经形态器件、量子器件、离子晶体管等被广泛地研究和应用，成为后摩尔时代突破物理极限的核心引擎。
最典型也是最早实验证明的二维材料是石墨烯。2004年，K. S. Novoselov等人在Science杂志发表文章，报道了通过机械剥离的方法从高取向的裂解石墨中获得了石墨烯，且证明了其独特优异的电学性质。
作为首个被发现的二维材料，厚度仅0.335纳米的石墨烯，被认为是最具潜力的半导体替代材料，拥有极其优异的物理性质，如高强度、高导电性、高导热性等，科学界期望利用它制备新一代的半导体器件，是下一代“碳基半导体”强有力的候选材料。
之前IBM一项研究表明，相比硅基芯片，石墨烯芯片在性能和功耗方面预期将有较大提升。比如，7纳米制程的石墨烯芯片相比7纳米制程的硅基芯片，速度提升高达300%——前提是能够在石墨烯的能带里打开一个“空隙”。
然而，石墨烯作为一个半金属的材料，其零带隙特性无法达到理想半导体电流关闭的状态，难以被制成像晶体管一样的电子开关元件，限制了其在逻辑器件中的应用。因此，尽管K. S. Novoselov团队制备出了石墨烯，但其仍然在2007年的一篇关于石墨烯的评论文章中流露出悲观情绪。
石墨烯诞生后的很长一段时间里，也的确未能在半导体领域找到“用武之地”。尽管如此，但以石墨烯为代表的二维材料仍获得了较大关注，新的二维材料如雨后春笋般涌现。
自 2004 年石墨烯分离成功以来，过渡金属二硫族化合物（TMDCs，如MoS₂、WS₂）、六方氮化硼（h-BN）、黑磷及 MXene 等二维材料体系得到广泛研究。尤其是2010年后，单层MoS₂晶体管的成功制备标志着二维半导体进入实用化阶段。
2024年，中国天津大学和美国佐治亚理工学院科研人员组成的研究团队，使用特殊熔炉在碳化硅晶圆上的生长方法，取得重大突破，生产出了外延半导体石墨烯单层。研究发现，如果制造得当，外延石墨烯会与碳化硅发生化学键合，并表现出半导体特性，这成功攻克了长期以来阻碍石墨烯电子学发展的关键技术难题，打开了石墨烯带隙，实现了从“0”到“1”的突破。相关论文发表在《Nature》上。所以，石墨烯因此也有了“新生”。
正是基于诸多优势，从石墨烯被发现开始，二维材料已逐渐成为一个成员众多、类别多样的庞大家族。这些常见的二维半导体材料各自具有不同的能带结构和电子特性，覆盖从超导体、金属、半金属、半导体到绝缘体等材料类型，同时也具有优异的光学、力学、热学、磁学等性质。
一些典型的二维材料的晶体结构和性质
- 石墨烯：零带隙狄拉克费米子体系。石墨烯的电子结构呈线性色散，在K点形成狄拉克锥，载流子迁移率极高，室温下可达10⁴-10⁵ cm²/V·s。其准粒子行为近似无质量，自旋散度长，适用于高频电子学与自旋输运研究。然而，零带隙限制了其在数字开关器件中的应用，需通过带隙工程手段实现能带调控。 TMDs：直接带隙与谷自旋耦合。典型TMDs（如MoS₂、WS₂）在单层状态下呈直接带隙半导体性质，能隙约为1.8eV，并伴随强自旋-轨道耦合与空间反演对称性破缺，导致自旋与谷自由度耦合。这种物理机制使TMD成为谷电子学与光自旋操控的理想平台。尽管其迁移率较低，但稳定的带隙和优异的光电响应使其在晶体管与光电探测中具备实际应用价值。 黑磷：各向异性与可调带隙。黑磷为少有的本征直接带隙材料，其能带结构对层数敏感，从单层的2eV连续调谐至块体的约0.3eV。同时，黑磷晶格结构导致强烈的电子各向异性，使其在方向相关器件中具有独特应用前景。尽管迁移率可达千级cm²/V·s，但其化学不稳定性是制约其发展的一大障碍。 MXene：二维金属与界面工程平台。MXene是一类层状过渡金属碳化物/氮化物，天然金属性、高电导率和表面官能团赋予其在接触工程、电化学与可调能带设计中的广泛潜力。研究表明，通过调控表面终端基团与界面应力，可诱导其从金属转变为半导体态，成为二维材料中可工程化程度最高的体系之一。
得益于其原子层厚度方向上的量子局限效应，这些二维材料展示出与其对应的三维结构截然不同的性质。从硅基三维材料向二维半导体材料过渡，不仅是材料的革新，更是半导体技术的一次飞跃，有望打破摩尔定律放缓的僵局，推动半导体行业进入全新的发展阶段。
清华大学任天令教授、田禾副教授，复旦大学刘子玉教授，中北大学郭浩教授，中科院微电子所彭松昂副研究员和北京交通大学邓涛教授等总结了二维半导体在工艺工程和各种芯片应用领域的研究进展。
二维电路的一般路线图示意图，(a) 硅基、碳纳米管基和二维基集成电路的发展时间线，(b) 二维电路的实现路线和未来可能的应用领域
台积电、英特尔、三星和 IMEC等大型企业纷纷加速布局二维半导体赛道，在二维半导体材料研究和集成方面投入了大量资金，推动产业由实验室迈向规模化。
有数据显示，2024年全球二维半导体材料市场规模达18亿美元，其中石墨烯为最大细分市场，这主要得益于其优越的导电性和机械强度，占比45%。过渡金属二硫族化合物(TMDs)因其独特的电子性质和在各种应用中的多功能性而成为第二大细分市场，占比30%。随着制备技术成熟，预计2025-2030年市场规模将以24%-26.5%的复合增长率扩张，2030年有望突破45亿美元，主要增长动力来自5G通信、AIoT及高性能计算领域的需求。
在此趋势下，研究机构和产业界对二维半导体材料和器件展开积极探索，推动二维半导体材料的研究和开发。
二维半导体产业进展与突破
原集微：首条二维半导体全国产化工程化示范线启动
2025 年 6 月，复旦大学科研团队孵化的原集微科技二维半导体工程化验证示范工艺线在浦东川沙启动，这是首条全国产二维半导体集成电路工程化示范线。原集微计划三年内建设商业化量产线，攻关前后道工艺、“非硅” 材料与硅基工艺兼容性、异质 / 异构集成等核心技术，已与中科创星、北京赛微电子等企业合作探索异质集成方案。
依托二维材料极低漏电流优势，原集微选定DRAM和边缘计算为产业化切入点，正推进原型芯粒集成开发，将在8吋工程示范线完成工艺优化。今年4月，其联合团队在《自然》发布全球首款基于二维半导体的32位RISC-V架构微处理器“无极（WUJI）”，集成5900个晶体管，反相器良率99.77%，刷新集成度纪录且性能提升51倍。该处理器基于单层二硫化钼（MoS₂），不依赖EUV光刻机，实现全链条自主研发，证明新材料应用可行性。
原集微目标是打造二维半导体界的“台积电”，计划三年内突破材料与硅基工艺兼容难题，建成国际领先的示范商业化产线，实现1-2纳米级芯片性能。
西北有色院、西安稀有院：POT技术合成Ti2CO2二维材料
生物传感器依赖无机/有机复合结构，亲和层是连接核心，MXene材料因独特理化性质成潜力候选。其中，Ti₂CO₂ MXene因高稳定性和半导体特性受关注，但常规制备易过度氧化生成TiO₂，难以精准合成。
西北有色金属研究院、西安稀有金属材料研究院李阳、程飞团队开发臭氧脉冲处理（POT）技术，成功合成稳定的二维半导体Ti₂CO₂ MXene。该技术通过精确控制 “Ti₂C→Ti₂CO₂→TiO₂” 反应的活化能窗口，利用高活性臭氧降低目标反应能垒，短时脉冲抑制过度氧化，突破传统官能团调控瓶颈。Ti₂CO₂ MXene 的高吸附容量和稳定性使其成为高精度生物传感的优异亲和层，为MXene材料官能化与稳定化提供新思路，拓展了二维半导体在生物传感、健康监测和智能诊疗领域的应用。
南京航空航天大学/南洋理工大学：二维半导体中共格限域的单金属原子链
近日，南京航空航天大学郭万林院士、张助华教授、乔瑞喜副研究员联合南洋理工大学刘政教授团队，在金属单原子链原子制造领域取得突破。团队基于二维硫族化合物晶界限域效应，提出标准化筛选方案，预测并实验证实了可在二维半导体晶界形成单金属原子链（SMACs）的元素。相关成果发表于《自然·通讯》。
研究针对SMACs生长的热力学与动力学过程，分析了过渡金属原子与MX₂晶畴的替代掺杂、表面团簇化、边界吸附构型及其动力学生长势垒等核心步骤，建立SSEK理论计算筛选标准。以MoS₂为例，从27种过渡金属中锁定Co、Ni、Pd、Pt、Rh，实验证实前四种可在MoS₂镜面孪晶界形成数十纳米长的单原子链网络。这些原子链通过共价键与两侧晶格连接，稳定性高，理论预测具有一维金属性及磁性。该工作不仅为二维材料限域体系中的一维结构的原子制造开辟了新途径，更为极限一维体系中量子行为研究与全新器件开发奠定了基础。
苏州纳米所：二维异质结构光调控重要进展
二维过渡金属硫属化物（TMDs）异质结构因优异光电性能，在纳米光电子学等领域应用广泛。TMDs异质双层可实现材料任意组合及层间耦合调控，产生层间激子等新型激子态，但传统器件需与外部光学结构集成，易引入非辐射复合中心、n型掺杂以及强介电屏蔽效应等问题，严重抑制了激子的发光效率，尤其影响层间激子的稳定性和辐射效率，因此带来了极大的调控挑战。
在此，苏州纳米所张兴旺团队在Science Advances期刊上发表了最新论文。该团队在自由悬挂的 WS₂/WSe₂ 异质双层中直接构建了内嵌光子晶体（PhC）纳米结构，避免了传统介质接触引发的发光抑制问题。该结构不仅在不依赖外部光学谐振器的条件下实现了激子与导模共振的自耦合，还通过导模的动量色散特性，成功实现了激子发射在能量-动量空间中的选择性激发与方向性排序。该策略显著提升了层间激子的发光效率，同时揭示了扭角对激子态调控的潜力，为探索莫尔超晶格中激子的物理机制和新型光子器件的设计提供了新思路和关键技术路径。
东南大学：用于突触晶体管的二维极性半导体中门控可调极化梯度
随着人工智能对数据处理需求不断增长，传统冯·诺依曼计算架构局限性日益凸显，其内存和处理单元的物理分离导致了延迟和能效问题。神经形态计算作为一种新兴的计算范式，通过模仿人脑的并行处理方式，有望克服这些瓶颈。人工突触设备是神经形态计算的核心，其旨在模拟生物突触的动态可塑性。然而，现有的突触晶体管主要依赖于离子迁移、铁电开关、浮栅耦合或电荷陷阱等机制，这些方法存在离子扩散、极化疲劳和电荷泄漏等问题，限制了设备的可靠性和记忆保持能力。
东南大学李泽军团队报道了基于二维极性半导体的门控可调极化梯度机制，用于模拟生物突触功能。通过在二维极性材料中引入门控调制的极化梯度，实现非易失性、刺激可调的电荷传输，模拟突触动态可塑性。
该机制使设备在室温下实现约 331 秒的记忆保持时间，超越多数传统突触晶体管，且在150-300K温度范围内保持106-104的高开关比，展现出优异的操作稳定性和循环耐久性。该研究突出极化工程在载流子传输控制中的关键作用，为神经形态架构设计提供新范式，推动新一代电子技术发展。
北京大学彭海琳教授团队：二维Bi₂O₂Se半导体全维度剖析
二维 Bi₂O₂Se 因优异性能成为后硅时代高性能集成电路的关键候选材料，但其产业化面临诸多挑战。北京大学化学与分子工程学院彭海琳教授团队应邀在《Nature Reviews Electrical Engineering》发表综述，论述二维Bi₂O₂Se半导体的发展与展望。
Bi₂O₂Se 具有非范德华层状结构，Bi-O共价键稳定且层间作用弱，赋予其良好空气稳定性与工艺适应性。其高电子迁移率、间接带隙特性、强自旋轨道耦合效应及铁电性，使其在光电器件、自旋电子学器件和非易失性存储器领域潜力巨大。制备方面，热蒸发CVD、盐辅助低温CVD等方法各有优劣，需通过调控成核位点等因素控制单晶形貌与质量。产业化需突破晶圆级单晶制备的缺陷控制、工艺集成的界面控制与互连技术、晶体管尺寸缩小中的性能与可靠性平衡，以及电路级应用的结构优化等瓶颈。
北科大：二维半导体材料生长方法新突破
当前，化学气相沉积（CVD）已实现晶圆级 MoS₂单晶生长，但多核生长法存在晶界缺陷，影响器件均匀性；单个核生长受成核密度与生长速率限制，晶畴多为毫米级。液态前驱体结晶法也因润湿面积小等问题，仅能生成亚毫米级晶畴，大规模生产高质量二维过渡金属二硫族化物（TMDCs）仍是工业制造的重大挑战。
2025年初，北京科技大学前沿交叉科学技术研究院张跃院士及张铮教授团队等人在《Nature Materials》上发表重要研究成果，提出了一种名为“二维Czochralski（2DCZ）”的方法，可在常压下快速生长厘米级、无晶界的单晶MoS₂晶畴，其均匀性高、缺陷密度低。基于该材料的场效应晶体管良率高，迁移率变化小。2DCZ方法为晶圆级高质量二维半导体材料制备提供新途径，推动传统生长方法创新，助力下一代集成电路制造。
澳门科技大学/昆士兰理工大学/莫纳什大学：通用拾放金属电极转移技术
2025年初，澳门科技大学邢凯健博士、欧清东助理教授联合昆士兰理工大学祁东晨副教授、莫纳什大学 Michael S. Fuhrer 院士团队，在 ACS Nano 发表论文，提出通用拾放金属电极转移技术，解决传统金属集成到范德华（vdW）异质结构时的材料破坏与接触电阻问题。
该技术绕开牺牲层，借助氢化金刚石表面低粘附性和无悬挂键特性，以PC/PPC为媒介，实现预图案化金属的高效剥离与精准转移。成功转移8种金属（功函数 4.22eV-5.65eV），在少层TMD材料上构建了双极性场效应晶体管、肖特基势垒二极管等器件。该技术简单可靠、兼容性强，可应用于垂直晶体管等多种器件。随着大面积金刚石晶圆发展，有望实现晶圆规模器件制造，为空气敏感二维材料器件提供可靠制造策略，也为关联量子态等新物理研究开辟道路。
二维半导体材料异质外延，重要进展
2024年12月，上海应用技术大学团队携手国科大杭州高等研究院、美国麻省理工学院（MIT）等国内外单位，在二维半导体材料异质外延方面取得进展。异质外延半导体材料是高性能光探测的核心，但受晶格匹配限制，单一衬底上的异质外延易产生高晶格应变，导致界面质量下降与晶体缺陷，且设备与工艺复杂昂贵。
团队依托“光探测材料与器件”上海高水平创新团队等平台，通过“面内自适应异质外延”策略，在c面蓝宝石衬底上实现二维半导体单晶材料的高取向外延生长。该方法通过晶体取向30°旋转调控压应力与拉应力，实现应变可容忍性，使异质外延单晶与衬底形成可控界面应变。基于该材料的光探测器件性能优于非外延器件，为高性能光探测技术突破提供支撑。
上海微系统所：开发面向二维集成电路的单晶金属氧化物栅介质晶圆
2024年8月，中国科学院上海微系统与信息技术研究所（上海微系统所）狄增峰研究员团队在面向低功耗二维集成电路的单晶金属氧化物栅介质晶圆研制方面取得突破性进展，相关成果以《面向顶栅结构二维晶体管的单晶金属氧化物栅介质材料》为题，发表于国际学术期刊《自然》。
二维半导体沟道材料缺乏适配的高质量栅介质材料。传统硅基非晶栅介质材料表面悬挂键多，与二维半导体材料形成的界面存在大量电子陷阱，影响晶体管性能；单晶栅介质材料虽能与二维半导体沟道材料形成完美界面，但生长所需的高温及后退火处理，易损伤二维半导体材料或造成无意掺杂，形成不理想的栅介质 / 二维半导体界面，界面态密度高达 10¹¹ cm⁻² eV⁻¹ 左右，难以契合未来先进低功耗芯片发展需求。
在此困境下，团队开发单晶金属插层氧化技术，室温下制备出单晶氧化铝（c-Al₂O₃）栅介质晶圆。以锗基石墨烯晶圆为衬底生长单晶Al（111），借助石墨烯与单晶金属Al（111）间较弱的范德华作用力实现4英寸晶圆无损剥离，表面呈原子级平整；在极低氧气氛围中，氧原子可控插入Al（111）晶格，形成稳定、化学计量比精准的 c-Al₂O₃（0001）薄膜晶圆。通过自对准工艺制备的低功耗 c-Al₂O₃/MoS₂晶体管阵列性能一致，击穿场强 17.4 MV/cm、栅漏电流 10⁻⁶ A/cm²、界面态密度 8.4×10⁹ cm⁻² eV⁻¹，均满足国际器件与系统路线图要求，为二维集成电路发展开辟新路径。
宾夕法尼亚州立大学：攻克CMOS 与 2D 材料集成挑战
互补金属氧化物半导体（CMOS）与二维材料的集成是电子器件发展的难点。宾夕法尼亚州立大学研究人员开发了基于 CMOS 技术的二维单指令集计算机，利用大面积 n 型 MoS₂和 p 型 WSe₂场效应晶体管的异质集成，克服了这一挑战。
团队通过调整 n 型和 p 型二维 FET 的阈值电压（优化沟道长度、采用高 κ 栅极电介质、改进材料生长与后处理），实现高驱动电流与低亚阈值漏电。电路可在 3V 以下电压运行，频率达 25kHz，功耗低至皮瓦级，开关能量约 100pJ。这是首次完全由二维材料构建的 CMOS 计算机，结合了金属有机化学气相沉积（MOCVD）生长的大面积 MoS₂和 WSe₂晶体管，为二维材料在集成电路中的应用奠定基础。
加利福尼亚大学圣巴巴拉分校：二维半导体材料应用于三维晶体管新进展
二硫化钨（WS₂）等二维过渡金属硫化物（TMDs）因独特电学和结构性质，成为后硅基 CMOS 场效应晶体管（FETs）的潜在沟道材料，在亚 10 纳米沟道长度下表现优异。但现有器件存在肖特基接触、沟道厚度调控等问题，限制了尺寸缩减与性能提升。
加利福尼亚大学圣巴巴拉分校Arnab Pal、Kaustav Banerjee课题组设计了基于2D TMDs的新型3D晶体管框架——2D NXFETs。通过非平衡格林函数量子传输模拟结合密度泛函理论数据，优化了器件电学性能与缩放特性，综合考虑肖特基接触非理想性、量子化效应及寄生电容等因素。研究发现三层 WS₂在低待机功耗和高性能应用中表现出色，能量 - 延迟积提升超55%，延续了CMOS器件在亚5纳米尺度的缩放能力。团队提出的2D纳米板场效应晶体管（2D NPFET）结构，集成密度和驱动电流显著提升，相同面积下性能较传统硅基3D晶体管提升近10倍。
碳纳米管+单层MoS₂，构建极限尺寸的垂直晶体管
ACS研究通过结构创新，首次将上下交叉碳纳米管与单层TMD垂直集成，解决了栅控屏蔽与隧穿泄漏难题，为极限尺寸低功耗2D逻辑器件提供可行范式。
基于石墨烯和TMD异质结构的垂直场效应晶体管（VFET），通道可缩短至单层TMD厚度（约0.65nm），是实现尺寸极限的理想方案，但传统结构存在石墨烯层屏蔽栅极电场、大面积接触导致关断态隧穿电流偏高的问题。新结构采用顶部 CNT/单层MoS₂/底部CNT三明治结构，通过极小垂直结面积抑制Off态隧穿电流，电场从底部CNT侧壁直接穿透MoS₂沟道，有效克服屏蔽问题，实现强栅控。
二维MoS₂柔性晶体管引领中规模IC革命
二维半导体兼具出色的电学性能和机械柔性，为柔性集成电路（ICs）的发展提供了极具吸引力的应用前景。尽管已有显著进展，但目前展示的二维柔性IC通常仅限于实现基础逻辑门和环形振荡器，集成规模仅有少数薄膜晶体管（TFT），在电路规模和功能性上存在明显差距。
该研究展示了基于二维半导体MoS2集成100多个TFT的中规模柔性集成电路，该电路集成了组合逻辑单元和时序功能单元。通过对制程工艺的协同优化，成功实现了高产率、均一性良好的柔性MoS₂ TFT，同时构建了具有良好全跨轨操作性能的柔性NMOS反相器。
采用阻抗调制来创建增强型 (E-mode) 和耗尽型 (D-mode) 晶体管，并进一步实现基于零Vgs负载逻辑的NMOS反相器。柔性MoS2晶体管表现出良好的灵活性和一致性。
此外，该设计确保了具有足够噪声容限的稳健轨到轨操作，这对于确保各种数字元件的稳定运行至关重要，使其成为构建中规模复杂电路的理想标准单元。为此，团队展示了组合和时序逻辑电路，结合了半加器、锁存器、触发器和中规模时钟分频模块等代表性元件，为数字 IC 和 IoE 系统提供了潜在的应用。
中科院物理所：基于二维半导体的中等规模柔性集成电路
二维半导体结合卓越电学性能与机械柔韧性，为柔性集成电路（ICs）提供发展机遇。但迄今为止展示的二维柔性集成电路仍局限于基本的逻辑门和环形振荡器，其最大集成规模仅为少数薄膜晶体管（TFTs），在电路规模和功能方面存在显著差距。
2025年1月，中科院物理所张广宇、李娜&杜罗军研究员等人联合发表了题为Medium-scale flexible integrated circuits based on 2D semiconductors的文章,展示了基于二维二硫化钼（MoS₂）的中等规模柔性集成电路，集成了组合逻辑和时序逻辑元件。通过对制造工艺的协同优化，实现了具有高器件良率和一致性的柔性MoS₂薄膜晶体管，以及具有稳定轨到轨（rail-to-rail）操作的柔性NMOS反相器。此外，在柔性基底上成功构建了典型的集成电路模块，如NAND、XOR、半加器和锁存器。最后，基于边沿触发触发器电路，展示了一个由112个MoS₂薄膜晶体管组成的中等规模柔性时钟分频模块。该工作将二维柔性集成电路的规模提升至中等水平，为万物互联、健康监测和植入式电子等领域的广泛应用展现了重要的发展前景。
通过协同优化制造技术，成功实现了基于MoS₂薄膜晶体管（TFTs）的中等规模柔性集成电路。此外，AlOₓ掺杂技术和零栅源电压负载逻辑配置的实施，使得反相器能够实现稳定的轨到轨操作，为构建可靠的中等规模电路奠定了坚实基础。值得注意的是，具有正确逻辑功能的组合电路和时序电路均得到了验证，并可进一步集成到能够执行特定指令的功能电路模块中。这项工作将二维柔性集成电路的规模提升至中等水平，标志着在可穿戴电子、可折叠智能终端和万物互联（IoE）应用等实际应用领域迈出了重要一步。
南大团队将二维半导体集成电路推向千兆赫兹
2023年，南大电子科学与工程学院王欣然教授、施毅教授带领的团队在二维半导体集成电路领域取得突破性进展。通过设计-工艺协同优化（DTCO），开发出空气隔墙晶体管结构，大幅降低寄生电容，在国际上首次实现了GHz频率的二维半导体环形振荡器电路，比原有记录提升200倍，并预测了二维半导体应用于1nm节点集成电路的潜力与技术路径。
该成果不仅首次实现了GHz二维半导体集成电路，而且展示了DTCO在减少非理想寄生效应、在众多权衡中找到性能/功耗/面积最优解的关键作用，为高性能二维集成电路发展指明了方向。
通过上述研究和进展能看到，二维半导体正逐渐释放产业潜力，加速从实验室到规模市场落地的跃迁路径。
二维半导体：产业化挑战与潜在发展路径
需要注意的是，《芯片，最新路线图》文章中指出：IMEC预计，到2039年，基于二维材料的第二代2DFET将成为主流。不过，引入二维材料的同时仍附带一系列挑战，会增加向A2节点导入时的成本和集成难度。
IMEC提出了多方面的挑战与问题：
二维材料的沉积：首先，要如何在晶圆上形成2D材料层是一大挑战。对于需要高性能器件的应用，主要有两条路线：
1）直接在目标衬底上生长2D材料。
直接生长通常需要特定衬底，并且在高温（约1000℃）下进行。如果需要与工业兼容的工艺和材料，则这种生长衬底未必理想，不利于高晶化度，从而降低薄膜性能。不过，直接生长可能具备一致性好、可覆盖整片晶圆以及与工业流程相容等优点。
2）在“生长衬底”上先行生长，然后再将该层转移到目标衬底。
第二种方法是在外部“理想”衬底上生长，得到高性能薄膜后，再将其转移到目标晶圆。转移本身温度可低得多（约300℃），与直接生长相比可避免对目标晶圆过度加热。然而，转移增加了流程步骤，也可能影响成本与制程良率。
栅极叠层与介电沉积：第二项挑战与栅极叠层及介电质沉积相关。有意思的是，促使二维材料能做到超薄的主要原因（即2D原子层之间仅有很弱的范德华力）也使得介电层沉积更加复杂。这些薄层表面几乎无悬挂键，使得传统在硅上使用极为成熟的沉积方法（原子层沉积ALD）变得困难。
低电阻源/漏接触：第三大挑战是形成低电阻的源极/漏极接触。对硅而言，通过在源漏区与金属相接触时生成肖特基势垒，并通过隧穿注入载流子，从而得到低接触电阻。常用方法包括对源漏区进行高掺杂，或在其上形成金属硅化物。然而这些方法在超薄的二维材料层上非常困难。科研人员因此在探索替代方案。
二维材料的掺杂：不仅是为了获得低电阻接触，还需要掺杂来调节沟道的阈值电压（Vth）以及降低寄生电阻。但对2D材料进行传统离子注入会严重破坏其晶格，进而显著降低其传输特性。因为在如此极薄的结构中，即使替换一个晶格原子也会产生远比三维材料更严重的影响。目前仍在探索其他掺杂方式（如静电掺杂或表面掺杂），但尚无公认的明确解决方案。
p型FET与n型FET：在CMOS技术中，n型和p型FET皆不可或缺。对传统CMOS来说，硅既可做n型，又能做p型；但尚无发现任何单一2D材料可同时满足n型与p型器件的最佳性能：例如MoS2适合做n型，而WSe2最具p型潜力。
制造集成及对可靠性与一致性的更高需求：迄今，大部分研究主要在实验室进行，可在厘米级样品上做hero devices。但要走向与300mm晶圆兼容的工业规模生产，需要大量研发投入。与此同时，器件的可靠性与一致性也必须得到大幅提升。
综合来看，二维半导体材料的产业化进程中，其挑战贯穿材料制备、工艺集成、器件性能、规模化生产能力、产业链协同等全链条。
针对二维材料在芯片领域的发展，业界专家和研究机构提出了以下潜在路径：
1) 充分利用二维材料尺寸微缩的优势，在数字和模拟电路领域发展全二维系统。尽管目前在器件方面取得了显著的进展，但将二维材料衔接整合到现有先进工艺节点并建立全套生态体系仍存在巨大挑战；
2) 发展异质集成芯片技术，如基于硅与二维材料的堆叠芯片或分区集成技术(如Chiplet技术)；这一路径充分利用现有硅基成熟的生态，进一步发展与硅基兼容的二维材料集成工艺，是目前最具前景的路径之一；
3) 目前对于主流应用来说，二维材料暂时无法取代成熟的块体材料，如Si和GaN等；但利用二维材料的优势，如低工作电流和漏电流以及多功能特性，可能在相对低的材料质量要求下，选择性应用于部分场景，包括低功耗器件、柔性传感器和神经形态计算等。基于现有的相对低成本的工艺，有望在不久的将来推动二维材料的产业化。
写在最后
展望未来，二维半导体材料的崛起不仅是技术迭代，更是产业生态的重构。
短期（3-5年）：二维材料将在低功耗边缘计算芯片、高性能光电器件及柔性显示领域率先商业化，例如原集微计划2029年量产二维材料边缘算力芯片，而三星、LG等厂商已探索二维材料在Micro LED中的应用。
中期（5-10年）：随着12英寸晶圆量产技术成熟，二维材料有望在3纳米以下逻辑芯片及存算一体架构中大规模替代硅基材料，推动芯片能效比提升10倍以上，同时催生新型三维异构集成技术（如逻辑层二维材料与存储层硅基器件的垂直整合）。
长期（10年以上）：二维材料可能成为量子计算、光量子通信及生物电子等颠覆性技术的核心载体，其原子级厚度与量子特性为下一代信息技术提供无限想象空间。
二维半导体材料正从实验室稳步迈向产业舞台中央，其发展不仅是一场技术突破，更将重塑全球半导体供应链的权力格局。中国凭借政策扶持、技术积淀与产业链协同优势，有望在这场变革中占据战略制高点，而全球竞争的加剧，必将加速材料科学、制造工艺与应用场景的全方位创新。
这一进程中，二维材料绝非仅是“延续摩尔定律的补丁”，更是开启“超越摩尔时代”的关键钥匙。未来，它将深度整合逻辑电路、存储、传感、光电集成等领域，推动电子系统向高度异质化演进，深刻重塑人类对信息处理、能源转换乃至生命科学的认知边界。
本文来自微信公众号“半导体行业观察”（ID：icbank），作者：L晨光，36氪经授权发布。
