從首次提出至今，石墨烯和二維材料(2DM)在科學和工程領域的研究已經持續了15年。大量的可用數據和高性能的器件演示讓人們毫不懷疑二維材料在電子、光電子和傳感領域中的應用潛力。那么采用二維材料的集成芯片和產品在哪里?在本篇文章，我們通過總結目前阻礙二維材料應用的主要挑戰和機遇來回答這個問題。

　　制造技術

　　在我們看來，這個問題可以通過比較二維材料和標準半導體材料的制造準備水平來得出結論。當前缺乏將二維材料引入硅（Si）半導體工廠產線的解決方案，這些“單元工藝”（unit processes）將二維材料與硅互補型金屬氧化物半導體（CMOS）芯片集成在生產線后端或前端。目前來看，二維材料的沉積和生長技術可以適用于晶圓規模，但是缺陷和污染還不符合大規模生產的需求。

　　一般來說，高質量的材料通常需要較高的工藝溫度，這加劇了晶圓直接生長的復雜性，但同時也讓轉移技術變得更受歡迎。理論上，晶圓鍵合技術可以解決這個問題，但顯然這項技術沒有達到完善的制造水平。在設備層面，二維材料面臨的挑戰就是介質（dielectric）和接觸界面（contact interfaces ）的控制。二維材料表面的自鈍化（ self-passivate）性質需要用可制造的方法（例如通過原子層沉積）來實現電介質的沉積。與使用晶體二維絕緣體(如六方氮化硼)的最佳實驗室演示相比，由此產生的非理想界面限制了器件的性能。

　　二維材料的電觸點也是如此，它只能部分滿足工業規范，還沒有達到制造標準。對二維材料來說，拔除或蝕刻對底層具有高選擇性的材料尤其具有挑戰性，因為它需要原子級精度，而這只能通過特定的化學反應和專用的原子層蝕刻設備來實現。開發合適工藝生產的過程是冗長乏味的，因為潛在的二維材料及其組合的范圍很廣。總的來說，蝕刻化學和其他物理過程參數強烈依賴于具體的情況，每個都需要單獨的解決方案。摻雜（ Doping），即在晶格中替換原子，是硅所需的一項標準且關鍵的技術，它依賴于統計分布。在二維材料領域，“摻雜”一詞通常用來描述從缺陷或其附近的分子吸附物到2D二維材料層的電荷轉移。

　　精確和長期穩定地控制這種“有效摻雜”仍然是一個挑戰，但是傳統摻雜也是挑戰，如硅技術所示，理想情況下，需要以確定方式替換二維晶體原子。解決這些關鍵的制造瓶頸是歐洲二維材料試驗試點線的明確目標。二維材料與硅CMOS技術的共同集成將大幅提升芯片功能，并使二維材料應用按照其設備復雜性的順序出現。

　　如圖所示，在過去多年的發展中，包括銅互連、高k金屬柵極介質和FinFETs等在內的材料以及架構創新都被采用，以繼續推動摩爾定律(黃線指的是“不太滿意的縮放”)前進。但未來或者說“More Moore”“延續摩爾定律”的縮放，可能需要更薄的納米片晶體管，而二維材料被認為是理想的候選材料(紅色指的是，插入a和透射電子顯微圖)。通過“CMOS + X”集成，例如通過“More Than Moore”“超越摩爾”領域的傳感器或集成在CMOS芯片上的高頻電子器件，有望獲得實質性的性能和功能增益。借助二維材料的光電性能，光子集成電路可以提高整體系統性能和數據處理能力，并開啟光譜傳感應用。內存計算或憶阻器讓未來的神經形態計算應用成為可能，并且二維材料可能非常適合與硅CMOS集成。即使在實驗室，2D量子技術也是最不成熟的，但隨著二維材料進入半導體加工線，2D量子技術將受益于所有預期的成就。

　　此外，二維材料也有望成為CMOS的X因素。在異構集成縮放時代，新的材料在三維芯片堆疊中提供前所未有的性能。需要注意的是，在經典的“摩爾定律”時期，Y軸的單位為“log2（#晶體管/$）”，但在異構集成擴展時代，這個必須被取代，我們建議將其標記為“Performance （A.U.）”，因為性能的提高將針對于特定應用。它將由功耗和效率、模式識別能力、傳感器融合等(組合)因素決定，由于功能和底層技術的多樣性，這將會導致一些任意單元的產生。

　　More Moore

　　一般來說，可以通過增加集成架構的復雜性以及STCO整體設計與系統架構的協同優化來實現先進的半導體技術節點。在晶體管層面，領先的半導體制造商正在從FinFET轉向堆疊納米片CFET架構，以實現最先進的CMOS技術節點。目前，這些納米片器件仍基于硅溝道，而這種納米片的各種結構也被用來評估未來技術節點，例如所謂的“fork sheet”設計，它允許更緊密的n- p間距，或將p和n型納米片相互集成在一起，但進一步縮放溝道長度需要縮小溝道厚度相似的因素，以保證充分的靜電控制，以抑制短溝道效應。將硅片厚度減小到所需的值會增加界面上的電荷散射（ charge scattering），并導致溝道中載流子遷移率急劇下降，從而破壞了器件的性能。而二維半導體將是納米片的最終版本，因為它們在第三維是自鈍化（self-passivated ）的，而且載流子遷移率不會受到表面散射的強烈影響。因此，即使在厚度限制下，遷移率仍然很高。

　　原則上，這種特性可以實現多個技術節點的實際擴展，并激勵半導體行業最終考慮用二維材料取代硅作為未來先進節點的晶體管溝道材料。但這個問題又將我們重新帶回到與2D集成相關的基本技術和科學挑戰。值得注意的是，確定一個合適的柵極氧化物堆棧和尋找低接觸電阻方案（contact schemes）特別重要。前者是必要的，以保持二維材料的特性，并提供充分的靜電控制，同時減小柵極漏電流。二維六方氮化硼(hBN) 已被廣泛應用于展示基于2D材料的高性能器件，但其帶隙和帶階決定了只有一個或兩個單分子層才能實現足夠的靜電控制。這種額外的邊界條件導致了不可容忍的器件漏電，因此必須找到其他的解決辦法。為了保持集成電路中溝道材料的優點，需要低接觸電阻，因為高接觸電阻會主導并嚴重限制集成器件的性能。

　　最近，通過使用半金屬鉍，MoS2中的金屬誘導隙態（metal induced gap states ）和簡并態的自發形成（spontaneous formation of degenerate states）被報道，能大大降低MoS2的接觸電阻。然而，要揭示和充分利用CMOS電路中單層晶體管的潛力，重振晶體管的微縮速度和延續摩爾定律，還需要更多這樣的突破。

　　More than Moore 超越摩爾

　　這類應用可能首先進入市場，因為它們是多方面的，但通常非常具體，所以可以容忍缺陷和較大的器件性能變異量device variation。

　　二維材料由于其固有的高表面/體積比和多功能化特性，非常適合于氣體、化學和生物傳感器件。因此，在某些二維層狀材料附近的任何帶電粒子或分子都可以改變其導電性。然而，理想中的二維材料是化學惰性的，這意味著化學活性的缺乏將極大得增強基于二維材料的傳感器的反應活性。因此，精確的缺陷控制對于確保器件靈敏度是必不可少的。此外，傳感器的選擇性也是至關重要的。它可以通過表面功能化或者由不同傳感器組成陣列模擬復雜的生物系統例如鼻子，來實現，具有不同傳感器“指紋”的二維材料組合可以與機器學習算法一起用于傳感器讀取。

　　MEMS通常依賴于芯片上的機械可移動部件。二維材料具有優異的機械性能，可以產生超薄薄膜，直接轉化為壓阻式和光機械讀出方式，以極高的靈敏度，為MEMS提供了高效的信號傳輸。基于二維薄膜的MEMS應用包括壓力傳感器、加速度計、振蕩器、共振質量傳感器、氣體傳感器、霍爾效應傳感器和熱輻射計。

　　與現有的光電子和光子技術相比，二維材料具有一系列優勢，特別是在硅材料可以處理的光譜范圍之外。但即便如此，在光發射方面，許多二維材料的直接帶隙比硅更有優勢。半金屬和小帶隙材料，如石墨烯、二硒化鉑或黑磷，開啟了紅外(IR)體系，與昂貴的III-V半導體技術競爭。雖然二維特性在垂直方向上轉化為較低的絕對吸收，但與紅外敏感吸收層的結合帶來了更高的探測器響應能力。

　　光子集成電路

　　光子集成電路被認為是在計算機芯片上或在計算機芯片之間進行數據傳輸的終極性能推進器，將它們通過光電轉換器以極高的數據傳輸速率連接到硅基器件是一項關鍵的應用技術。二維材料，特別是石墨烯，可以轉移到光子波導上，并提供寬帶光檢測和信號調制。通過消除對外延的需要，基于二維的光子集成允許將有源器件組件與硅光器件集成，但也可以與無源非晶體波導材料集成，如氮化硅集成，這為復雜光子學應用在CMOS上打開了大門。事實上，一些二維材料，如二硒化鉑，也可以在低于400°C的溫度下直接共形生長，這在尋求與硅CMOS技術結合的光子集成電路方面是一個明顯的優勢。有了集成2D光源的潛力，二維材料可以最終實現電子學和光子學的融合，并在太赫茲間隙的光譜上架起橋梁。

　　神經形態計算

　　神經形態計算旨在為人工智能應用提供啟發大腦的計算設備和架構，以實現節能硬件。在器件層面，對神經形態計算的要求包括將內存與邏輯合并，來實現模擬突觸和神經元的內存計算和記憶設備特性。前者已經可以用傳統的存儲技術實現，而后者轉化為閾值開關和具有寬范圍可編程電阻狀態的非易失性憶阻器。盡管這項技術相對較新，但二維憶阻器已經顯示出了很有前景的性能，包括焦耳量級的開關能量、亞納秒級的開關時間、數十種可編程狀態，以及晶圓級的人工神經網絡原型，可以實現傳感器系統和邊緣計算的應用，例如通過傳感器數據的預處理或芯片上傳感器融合。除了神經形態計算外，二維記憶體已經被證明可以提供廣泛的非計算功能，包括安全系統的物理不可克隆功能，以及通信系統的射頻切換功能。

　　從科學的角度來看，二維器件中的電阻轉換現象產生原因在于離子輸運、缺陷形成或相變效應。盡管有這些基本方面，二維憶阻開關仍然是一個受到越來越多討論和研究的話題。在設備層面，一個根本性的挑戰就是提高電阻切換的次數，即所謂的耐久性，這需要進一步研究潛在機制的老化效應。同樣，為了實現能夠模仿大腦的超連接性和效率的大規模連接設備陣列，提高材料的均勻性將是至關重要。令人振奮的是，截至目前已有超12個二維材料展示了記憶效應，在未來幾年這個數量可能還會持續增長。因此，越來越需要算法來指導實驗研究和優化記憶元件，以獲得最大性能。

　　量子技術

　　二維材料和相關的van-der-Waals 范德華異質結構的各種性質也使得它們成為自旋電子學和未來量子技術中高度可調的量子材料。二維材料系統不僅能夠實現量子物質的人工狀態，還能實現固態量子計算的許多承諾，以此作為量子通信電路的關鍵部件或允許有趣的量子傳感方案。事實上，二維材料是一個很有前途的量子點固態平臺，比如人們很早就認識的拓撲量子計算元件，以及單光子發射器的相干源。

　　基于半導體量子點(DQs)的量子計算使用捕獲電子的單個自旋態。除其他方面外，它依賴于在主體材料中起重要作用的長自旋相干時間，這使得石墨烯成為一種非常有趣的自旋量子位材料，因為它具有弱自旋軌道耦合(碳原子非常輕)和弱超精細耦合(碳12是無自旋核)。隨著柵極控制量子點(QDs)中單電子限制的研究進展，第一個自旋量子比特即將問世。在二維材料中制造自旋量子位的可能性也將允許評估額外的谷自由度作為可能的量子位狀態；存在關于谷和自旋谷量子位的有趣建議。

　　此外，二維材料中的固定量子比特可以與單光子發射體(SPE)實現的光子量子位耦合，例如在附近的寬帶隙六方氮化硼或半導體過渡金屬二鹵族化合物(例如WSe2)中。在這些二維材料中，SPE近年來已經被證明是打開分布式量子網絡的大門，其中光子量子位可以作為互連，使遙遠的靜止量子比特，例如自旋量子位，進行糾纏。這種堅固、明亮、難以區分的單光子發射器對于創造光子(飛行)量子位來實現高效的量子通信至關重要。

　　此外，二維異質結構是用于拓撲量子計算的有前途的材料，與標準量子計算相比，量子態可能更好地（即，拓撲地）防止無序。例如，將量子反常霍爾絕緣體或石墨烯調制到傾斜的反鐵磁量子霍爾相與s波超導體相結合，是拓撲量子計算中一個很有前途的應用平臺。簡而言之，這些進展使二維材料及其異質結構在許多方面成為未來量子技術應用的一個令人興奮的平臺。

　　結論

　　與現有技術相比，二維材料在設備級提供了卓越的性能優勢，還可以與硅CMOS技術輕松集成，這使得它們成為硅芯片(也被稱為“CMOS + X”)的主要擴展功能的候選者。我們相信，在未來的集成產品中，二維材料將越來越成為一個x因素，具體取決于目標應用的不同，基于二維材料的異構電子技術的瓶頸也將獲得突破，達到所需的大規模制造水平。