众所周知，当摩尔定律走到尽头，未来的芯片设计开始面临各种困难。
随着功能器件特征尺寸的不断减小，器件中出现了尺寸效应、量子效应、短沟道效应等现象。
热效应可能导致设备性能下降甚至故障。
基于传统半导体材料的硅基功能器件已经达到了极限。
如果我们从合理设计硬件和算法方面入手来提高性能，所达到的效果总是有限的。
那么，从新型半导体材料本身出发寻找新的器件性能无疑是一个好的方向。
2D材料的开端2D材料是层状材料，在厚度方向上只有单个或多个原子层，依赖于层间的范德华力。
起初，二维半导体材料主要以碳基成果为主，包括碳纳米管、石墨烯等碳基材料。
IBM的一项研究表明，与硅基芯片相比，石墨烯芯片在性能和功耗方面都会有更大的提升。
例如，如果硅基芯片工艺从7nm先进到5nm，芯片速度将提高20%；而7nm工艺的石墨烯芯片相比7nm工艺的硅基芯片将有高达300%的速度提升。
二维材料的本质是延续电子摩尔定律。
许多实验室数据可以证明碳基2D材料可以更好地延续电子摩尔定律。
随着硅基晶体管通道变得越来越小，即使栅极上没有电压，电流也开始在通道上泄漏。
2D 材料可以构造成多个甚至单个原子层，从而提供了提供非常薄的沟道区域的可能性，而无需担心短沟道效应。
石墨烯被发现后，二维过渡金属硫属化物（TMDC）由于具有相似的结构而成为一种新型的类石墨烯材料。
因此，除了石墨烯之外，以过渡金属硫属化物为代表的MoS2、WS2、WSe2、黑磷等材料也被认为是二维材料。
其中，研究最广泛的是二硫化钼MoS2。
理论上，电子在二硫化钨（另一种二维材料）中的传播速度应该比在二硫化钼中的传播速度更快。
但在英特尔的实验中，二硫化钼器件的表现更好。
根据实验报告，基于MoS2器件的最高迁移率值接近200cm2/Vs的理论值。
由于其在极薄厚度下的高迁移率，斯坦福大学的研究人员还认为，MoS2 等过渡金属二硫化物 (TMD) 是 10nm 以下工艺中晶体管材料的首选。
面对如何延续摩尔定律的问题，二维材料是强大的种子选手。
但目前，如何实现二维材料的产业化是一个需要突破的问题。
你什么时候离开实验室？在工业生产中，让整个半导体行业采用新材料无疑是一个非常颠覆性的过程。
当前的半导体行业想要继续保证6000亿美元半导体市场的持续增长，正在努力扩大摩尔定律。
然而，目前还没有新技术能够保证摩尔定律的延续。
这就是为什么二维材料开始成为业界关注的焦点。
但二维材料的现状是只能在实验室小批量生产以支持学术研究。
从二维材料继承到规模化工业化的转变面临着许多问题，包括设计工具的变化、材料生长、材料转移和生产线集成。
二维材料产业化的首要问题是解决设计工具和流程。
按照目前行业良率标准，生产8英寸或12英寸晶圆并不容易。
每一步都需要专门设计和定制的专业生产工具。
从材料生产开始，化学气相沉积 (CVD) 是生产石墨烯和其他二维材料（例如六方氮化硼）最广泛使用的工艺。
生产石墨烯涉及将加热的基材暴露在真空中的含碳气体中。
当气体沉积在热基材表面时，碳就会生长成石墨烯独特的蜂窝状图案。
该工艺需要严格控制温度和其他参数，以确保高质量材料能够生长到所需的晶圆尺寸。
生长过程之后是干转移过程，将材料与生长基板分离并将其转移到生产晶圆上。
这些过程的自动化是确保二维材料工业化生产的关键。
IMEC为12英寸集成工艺中采用这些2D材料奠定了基础。
设计了一系列程序来研究各种加工条件的影响并努力提高性能。
例如，可以使用金属有机化学气相沉积 (MOCVD) 来演示 12 英寸晶圆上 2D 材料的高质量生长，该工艺通过化学反应在表面沉积晶体。
使用该工具，可以在整个 12 英寸晶圆上以单层精度控制厚度。
实验表明，较高的沉积温度（即950°C）对涂层的结晶度和缺陷率有有益的影响。
目前，除了沟道材料的质量和缺陷率的控制仍然是提高器件性能的最大挑战之外，另一个需要解决的问题是源/漏接触件的接触电阻，需要将其降低到可接受的水平。
由于MoS等原子薄二维材料是扩展摩尔定律的候选材料之一，因此必须优化它们的接触，以便它们成为硅的合适替代品或补充。
降低接触电阻的解决方案可实现更高的电流和更好的节能效果。
对此，半导体行业也提出了不同的解决方案。
台大、台积电、麻省理工学院（MIT）联合发布1nm以下芯片重大研究成果，首次提出采用半金属铋（Bismuth，化学符号Bi）作为接触电极对于二维材料。
2022年4月，斯坦福大学开发出一种在单层二维半导体上制造合金金属接触的新技术。
这项研究可以让这些二维半导体晶体管可靠且可重复地工作。
在旧金山举行的 2021 年 IEEE 国际电子器件会议 (IEDM 2021) 上，来自英特尔、斯坦福和台积电的研究人员提出，半导体与金属接触时的电阻会出现急剧峰值。
台积电正在考虑通过使用半金属作为接触材料来降低半导体和接触之间的能垒。
半金属（例如锑）是一种介于金属和半导体之间的材料，具有零带隙，导致肖特基势垒非常低。
二维半导体材料的未来路线图 二维半导体的研究始于2011年左右。
石墨烯和二维材料（2DM）在科学和工程领域的研究自首次提出以来已经持续了15年。
从国外进展来看，美国麻省理工学院在2019年开发出了由碳纳米管制成的超大型计算机芯片，由14000多个碳纳米管晶体管（CNFET）组成的16位微处理器，证明可以完全由CNFET构建微处理器超越硅。
2021年，欧盟“石墨烯旗舰计划”提出了将石墨烯和2D材料集成到半导体生产线中的新方法。
耗资2000万欧元的“二维实验中试线（2D-EPL）”旨在成为第一家将石墨烯和层状材料集成到半导体平台中的石墨烯晶圆厂，引领基于2D材料的创新技术从实验室到大规模生产和商业化。
今年，韩国科学技术研究院宣布，由光电材料与器件中心Do Kyung Hwang博士和物理系Kimoon Lee教授领导的联合研究小组开发出一种新型超薄电极材料（Cl -SnSe2）在国立群山大学。
成功实现了基于二维半导体的电学性质可自由控制的电子和逻辑器件。
国内，二维材料的研究也正如火如荼地进行。
中国松山湖材料实验室重点关注二维材料研究的关键问题。
实验室布局了基础物理、高通量计算和二维材料合理设计四大方向，涵盖了从基础科学研究到应用探索的关键节点。
、二维材料的大规模制备和极限表征、二维系统中奇异量子现象的研究、兼容工艺的开发以及基于二维材料的原型器件的探索。
中科院金属研究所于2019年10月制备出“硅石墨烯锗晶体管”，显着缩短了延迟时间，并将截止频率从兆赫提高到千兆赫。
中科院物理研究所张光宇团队在基于二维材料的透明柔性器件大规模制备工艺方面取得突破性进展，在柔性衬底上实现了“1000”以上的集成度和良率?97%。
此外，北京大学、南京大学、复旦大学等高校在二维材料的研究上也取得了突破。
北京大学物理学院刘开慧教授、王恩哥院士、于大鹏院士对大尺寸二维单晶材料的制备进行新机理探索和核心技术研究，提出并开发了一套通用的方法金属基底上米级二维单晶的原子。
制造技术实现了石墨烯单晶的超快生长、米级单晶石墨烯的外延制备、数百平方厘米级单晶氮化硼薄膜的制备、30多个A4尺寸的制备高指数单晶铜箔库。
。
南京大学王欣然团队和北京大学刘开辉团队成功实现了晶圆级二维材料单晶的生长和制备，为二维材料的研究和应用奠定了坚实的物质基础。
复旦大学周鹏团队与中科院物理研究所高红军团队在基于二维材料的浮栅存储器研究领域取得突破性进展，实现纳秒级读写速度，开关比为高达10，因此在性能方面，相对于基于传统半导体技术的存储设备具有绝对优势。
复旦大学周鹏团队致力于基于新型二维（2D）层状材料的低功耗、高能效电子器件及系统集成研究，并致力于2D材料在超高速领域的应用包括二维准非易失性存储器、半浮栅存储器和神经形态突触电子学等。
近期，团队的研究兴趣扩展到基于二维原子晶体的新型内存计算逻辑器件和存算融合系统。
二维材料的情绪好坏参半 总体而言，二维半导体器件的前景好坏参半。
虽然最近的研究表明材料生长和接触制造方面取得了重大进展，但能够与尖端硅竞争的器件尚未得到证实。
当它们确实出现时，它们可能会涉及与当前晶圆厂不同的材料和工艺。
在此前召开的国家科技体制改革和创新体系建设领导小组第十八次会议上，中共中央政治局委员、国务院副总理、国家领导人刘鹤国家科技体制改革和创新体系建设领导小组主持会议，讨论后摩尔时代集成电路潜在颠覆性技术。
作为一种新型半导体材料，二维材料无疑是颠覆性的参与者。
但二维材料从实验室转移到工厂还需要时间。