中國科學家已經成功采用二維材料制備12英寸晶圓，這一里程碑技術很好地補充了傳統(tǒng)硅基芯片。這種新型半導體材料的厚度相當于一個原子，它的突破為下一代半導體技術的過渡鋪平了道路。

因為這種材料非常的薄，它可以給晶圓非常出色的半導體特性。但是這個團隊的科學家還得解決擴大晶圓尺寸以及高產能生產的問題。北京大學教授劉開輝是這個項目的首席科學家，在南華的獨家采訪中他說，團隊的工作讓這種二維材料在業(yè)界的實際應用提供了保證。

“我們向業(yè)界證明這種方法在科學上是可行的，并逐漸給人們樹立了信心。如果未來有行業(yè)需求，那么這個領域將會突飛猛進?！?/p>

在中國人民大學教授劉燦和中國科學院物理研究所研究員張廣宇的共同協(xié)作下，劉開輝團隊在北京制定了這種制造策略，并在東莞的松山湖材料實驗室得到驗證。7月30日，他們在《科學通報》期刊上發(fā)表了闡述這一發(fā)現(xiàn)的論文。

盡管硅非常適合半導體加工，但當前硅芯片因為設備尺寸不斷減少而遭遇許多困難。劉開輝說：“當硅晶體管做的越來越薄，電壓的控制就變得越糟糕。有時設備已經不工作了，里面還有電流。這導致了額外的能源損耗和發(fā)熱。”

而二維材料由一到幾層原子的結晶固體構成。這種晶圓獨特的物理特性來自于其天然的原子級厚度，很好地解決了硅片制造中存在的問題。它們可以應用到高性能的電子設備中。

劉開輝說：“由單層的二維材料MoS2制成的晶體管，厚度約為1納米，其性能要比由硅制成的同樣厚薄的晶體管好上許多倍。”

這種優(yōu)勢讓人們把關注點轉移到二維材料上。

“一些二維材料被認為是1納米甚至更小的集成電路的重要材料。它們也被業(yè)界認為是可以延續(xù)甚至超越摩爾定律的存在，即集成電路的晶體管每兩年翻一倍?！?/p>

每一層里，二維材料都可以獨立存在，這讓它們可以一層一層地堆放，比如石墨烯或者過渡金屬硫族化合物，包括包括二硫化鉬、二硫化鎢、二硒化鉬和二硒化鎢。

然而，要制造具有高度均勻和設備性能的二維材料晶圓，一直是對全球科學家的挑戰(zhàn)。

與傳統(tǒng)半導體一樣，二維技術工業(yè)化首先面臨的挑戰(zhàn)就是制造晶圓?！俺^60%的現(xiàn)存芯片市場依賴12英寸晶圓，它的圓片直徑大概30厘米。但是制作這么大而均勻的扁平圓圈需要大量的專業(yè)知識?！?/p>

現(xiàn)在有兩大障礙：生產一個足夠大的晶圓，并要實現(xiàn)高效生產。

說到尺寸，生產一個直徑12英寸的原子層材料就是一個艱巨的任務。先前2英寸的模型已經生產出來了，但是晶圓的增長工藝被證明非常困難，美國、韓國、英國和日本的研究者都束手無策。

在傳統(tǒng)工藝上，晶圓通常放到爐子里使用“點對面”的方法實現(xiàn)增長。在爐子里，需求源通過上方的一個噴嘴裝置以粉末的方式實現(xiàn)。當晶圓還小的時候，它工作很好，但是當晶圓的尺寸增大后，即使是在爐子里，需求源的擴散變少，這導致了晶圓質量的下降。

“我們開發(fā)了一種新的方法，采用一種面對面供應的方式確保晶圓均勻的增大，”該論文的第一作者，博士研究生薛國棟說。“在制造MoS2晶圓時，使用硫族化物晶體板（ZnS）與溶液分散熔鹽（Na2MoO4）配合作為元素源。”

劉開輝補充說，在這種制造方法下，制造晶圓不再有任何尺寸上的限制?！斑@種策略確保了原材料在爐子里可以均勻且充分地共給，解決了先前晶圓制造在尺寸上的限制。我們可以制作更大晶圓，但是12英寸是目前普遍使用的?！?/p>

尺寸的問題解決了，團隊就必須尋找批量生產的策略。擬議的增長系統(tǒng)是模塊化的，然后打包成柱狀，就像建造摩天大樓一樣。因為不同層之間的空隙都被需求源填充，晶圓增大的過程就變得非常均勻。

這個堆疊方法意味著多層二維材料可以同時實現(xiàn)增大，具有無可比擬的效率和低生產成本。劉開輝說：“我們松山湖材料實驗室的工程師團隊設計了基于此方案的設備。現(xiàn)在我們每部設備每年可以生產1萬片二維晶圓?！?/p>

晶圓已經成功制造了，但是要把它們變?yōu)榭捎眯酒?，依然要求諸如光刻和沉積等復雜的設計和雕刻技術。劉開輝對未來非常自信?！罢绨雽w行業(yè)的歷史所揭示的，迭代是關鍵，一些障礙可能會在工業(yè)精細化中得以克服。”

現(xiàn)存的微加工技術需要更深遠的探索和優(yōu)化，以使得二維半導體材料的物理特性與基于硅基的技術相匹配。

劉開輝說：“但是像臺積電、英特爾和三星這些領先的半導體公司，現(xiàn)在在研究和開發(fā)上大力投資。現(xiàn)在是二維半導體從實驗室走到工業(yè)應用的過渡階段?！?/p>

“在國家自然科學基金的支持下，中國也在加緊關注相關技術的研發(fā)。我們非常確信這種新型材料會在將來扮演一個至關重要的角色，但是它被采用的時間點取決于什么時候硅基技術的局限會成為一個重大痛點?！?/p>

——South China Morning Post