Nature子刊综述：2D材料融入三维世界，晶体管的新前景与科技挑战！

一、【研究背景】

随着数字电子学和技术的不断发展，人们对于提高计算机性能、减小尺寸和功耗的需求日益迫切。在这一过程中，摩尔定律的提出成为了一个重要的引导因素。摩尔定律预言了芯片上的晶体管数量大约每两年会翻一番，这促使了半导体行业的竞争，致力于在芯片上实现持续的缩放。然而，随着硅基晶体管尺寸的不断缩小，传统的缩放方法逐渐显现出了局限性，尤其是在硅和其他体型半导体中存在的一些固有问题，如半导体通道厚度减小导致的电荷载流子散射增加和迁移率降低等问题，这使得进一步的缩放变得困难。

为了解决这一挑战，科学家们开始探索新的材料和技术。在过去的几十年里，2D材料作为一种新兴的材料类型引起了广泛关注。特别是过渡金属二硫化物（TMDs）等2D半导体材料，在高质量晶片级合成、高性能场效应晶体管（FETs）以及光学、生物和化学传感器等领域的展示中取得了巨大的进展。与此同时，传统的3D集成概念在1980年代就已提出，但一直没有受到积极的追求，因为当时的主流趋势是通过缩小个别硅基晶体管的尺寸来实现缩放。

针对这一挑战，宾夕法尼亚州立大学工程科学与力学系Darsith Jayachandran, Najam U Sakib、Saptarshi Das教授等携手将重点放在了2D电子学与3D集成的结合上。通过将2D材料引入到3D芯片集成中，作者可以在不同方面解决传统缩放方法所面临的挑战。首先，2D材料具有原子级的薄膜特性，可以帮助克服硅和其他体型半导体中的一些固有问题，从而促进晶体管尺寸的持续缩小。其次，2D材料具有丰富的功能，如光学、生物和化学传感器，可以为3D集成提供更多的应用可能性。此外，理论研究表明，将2D电子学纳入单片3D集成的芯片中可以增加集成密度。

论文链接：

https://doi.org/10.1038/s44287-024-00038-5

二、【图文解读】

为了促进数字电子学和技术的进步，研究者们致力于探索各种技术和方法，其中包括三维（3D）集成。这一技术的目标是将电子器件在垂直方向上堆叠，以实现更高的集成密度和更多的功能。

首先，图1展示了硅技术和2D电子学的发展历程。研究者指出，自1959年以来，硅技术经历了重大的里程碑，但随着器件尺寸的进一步缩小，硅技术面临着挑战。与此同时，2D电子学作为一种新兴技术，也在不断发展，为下一代电子器件的设计提供了新的思路。图1中的数据显示，2D材料的性能不断提升，有些甚至在某些方面超过了传统的硅技术。这表明，2D电子学有望在未来取代部分硅技术，并推动数字电子学领域的发展。

接下来，图2展示了3D集成2D电子学的原理和应用。研究者们提出了两种集成方式：“更多摩尔”和“不仅仅是摩尔”。通过将2D电子学与传统的硅逻辑集成，可以实现更高的性能和功耗效率，同时还可以拓展电子器件的功能，包括化学/生物传感、光电子学和存储。此外，研究者们还探讨了2D电子学在3D架构中的应用，例如直接在硅CMOS晶圆上生长2D材料，实现2D-硅异质3D集成。

图3进一步展示了3D集成2D电子学的应用。研究者们提出了多种应用场景，包括与硅逻辑集成用于光电子学、单片3D互补金属-氧化物-半导体（CMOS）等。图中的数据显示，通过集成2D材料，可以实现多功能芯片的设计，将逻辑、存储和传感器功能集成到同一个芯片中。这一技术有望解决当前集成挑战，并推动数字电子学的发展。

最后，图4讨论了3D集成2D电子学所面临的设计考虑和挑战。研究者们指出，尽管2D材料具有许多优势，但其在集成中仍然存在一些挑战，如热管理、静电耦合和互连等方面。因此，为了实现有效的3D集成，需要克服这些挑战，并进一步优化设计和制造过程。

图1：硅技术和2D电子学的演变。

图2.2D电子学的3D集成。

图3. 3D集成2D电子学的应用。

图4. 3D集成2D电子学的设计考虑和挑战

三、【科学启迪】

作者已经深入探讨了各种主题，包括朝着2D电子学的大规模集成的进展，以及与3D集成2D电子学相关的进展、机遇和设计考虑。2D半导体的3D集成带来了显著的好处，例如扩展晶体管尺寸和增加器件密度的潜力，以及通过在3D体系结构中引入非计算设备来开发多功能芯片。作者希望本综述不仅阐明了基于2D材料设计3D集成电路的关键考虑因素，还能激发对这一令人兴奋领域的增加兴趣。

本文来自“碳谷”。