二维半导体作为集成电路亚1nm节点的变革性技术之一，正处于从实验室研究到工业制造生产过渡的关键临界时间点。因此，目前亟需设定符合半导体行业要求的标准，并建立与标准晶圆厂制造工艺兼容的二维晶体管架构以及芯片集成策略，为二维电子技术迈向芯片产业化应用提供指导。
近日，北京大学电子学院彭练矛院士与麻省理工学院电子工程与计算机科学系孔敬教授（Prof. Jing Kong）/姜建峰博士应邀对二维电子学从实验室到工业化生产（Lab-to-Fab）的发展进行论述和展望，相关成果以题为“Towards fab-compatible two-dimensional electronics”的文章，于2025年1月2日在线发表于电子学顶级期刊《Nature Reviews Electrical Engineering》。电子学院毕业生、麻省理工学院博士后姜建峰博士为第一作者，电子学院吴朋研究员为第二作者，电子学院博士研究生刘一凡为第三作者，彭练矛院士、孔敬教授和姜建峰博士为通讯作者。
图1. Nature Reviews Electrical Engineering官网截图
以集成电路芯片为核心的现代信息处理和人工智能对计算能力的需求愈发迫切，随着晶体管小型化的继续和超大规模集成电路（VLSI）的发展，系统级芯片需要将各种功能—逻辑计算、存储、传感、显示与模拟射频通信等模块通过三维先进堆叠的方式集成到一个平台上，以提供现代信息应用所需的多功能灵活性。然而，国际半导体技术路线图预测硅基互补金属氧化物半导体（CMOS）技术接近其物理极限。二维半导体技术已经被证实在性能和能效方面具有超越硅基的巨大潜力（Nature, 616, 470-475, 2023），受到了全球领先的半导体芯片制造公司英特尔、台积电、三星、欧洲微电子中心等的高度关注。此外，由于具有更丰富的材料选择（可面向沟道，电极，介质层，通孔材料，间隔层，阻挡层等）、更低的工作电压和更低的加工热预算等显著优势，将二维技术应用于先进的单片三维集成架构中有望实现突破，在器件尺寸、系统能效和整体性能上带来革命性的发展。因此，开发与晶圆厂标准半导体制造工艺兼容的先进二维晶体管架构和三维芯片集成策略，并建立符合行业标准的基准，是将二维电子学从实验室研究推向工业应用的关键先决条件。
实验室对于二维原型器件的研究通常聚焦于解决孤立的科学挑战和单一性能参数的优化，而商用芯片对晶体管的具有更加严格的要求，需要在多个关键领域进行协同优化。在本文中，本文重点讨论了感存算一体、数模混合的单片三维集成架构的全二维半导体系统级芯片在晶体管方面的关键技术需求，在面向大规模集成电路的沟道材料要求、延伸区策略、接触工程、栅极堆叠技术这四个核心方面进行深入论述，设定满足VLSI要求的标准，并提出了晶圆厂兼容的多桥通道二维晶体管的加工流程和范式，为二维电子学的工业化道路提供可行的参考。
图2. 与标准晶圆厂半导体制造兼容的三维多桥通道二维半导体场效应晶体管的工艺流程图以及感存算一体、数模混合的三维集成架构的全二维半导体系统级芯片的示意图
这项工作在材料-工艺-器件-系统四个方面为二维电子学从实验室研究到工业的生产制造进行论述和展望，为接下来二维技术迈向半导体试线的产业化发展提供了重要指导。
作者简介：
姜建峰博士现为麻省理工学院博士后研究员，电子学院毕业生，理学博士。面向亚1nm节点集成电路芯片，致力于开发后摩尔新型电子技术。以第一作者身份在Nature, Nature Electronics, Nature Materials, Nature Reviews Electrical Engineering等国际顶级期刊发表论文11篇（含正刊一篇，子刊四篇），目前以通讯作者身份审稿/返修于正刊与子刊各一篇，以通讯作者身份受邀在Nature Reviews撰写专用集成电路芯片技术长篇综述（准备中）。一作系列研究获评“中国十大科技进展新闻”（中国两院评），“中国高等学校十大科技进展”（国家教育部评），“中国半导体十大研究进展”，“中国重大技术进展”，“中国芯片科学十大进展”。相关成果被Intel，台积电，IMEC等全球领先的半导体芯片制造公司在国际集成电路和电子器件大会VLSI和IEDM中列为年度芯片器件重大进展，并被Nature Electronics进行专题报道。担任Nature系列综述和多个子刊独立审稿人，北京大学学生最高荣誉“学生五·四奖章”获得者（电子学院首位），北京大学电子学院首届“学术十杰”，曾获国家奖学金，北京大学校长奖学金，北京大学优秀博士学位论文等。
