延续摩尔定律，二维晶体管潜力如何？
自20世纪60年代以来，电子电路上可容纳的元器件数量每两年便增加一倍，这种趋势就是著名的摩尔定律。随着晶体管越来越小，硅芯片上可容纳的元器件数量在不断增加。但目前看来，硅晶体管正接近它的物理极限。只有开发出全新类型的材料和设备，才能释放下一代计算机的潜力。
单分子厚晶体管芯片或许能用来驱动下一代计算机。
图片来源:Peng Lin、Sanghoon Bae
基于块体（三维）半导体的所有晶体管都面临着相同的问题，包括由锗、砷镓铟和磷化铟制成的晶体管。电子一般难以在纳米厚度的沟道内迁移，沟道表面的缺陷也会导致电荷散射，减慢电子流动速度。
而单原子层的二维材料有望使晶体管进一步缩小。由于它们的“垂直”维度有限，且表面平整没有缺陷，因而电子不易发生散射，电荷也能相对自由地在其中流动。前景可观的材料包括过渡金属硫化物 （如二硒化钨和二硫化钼）。
但是，这类研究仍处于初级阶段，如果要满足实用设备的工业级需求，必须先解决三大根本挑战。
三大挑战
准确预测特性。首先，我们要找到适合的二维晶体管材料。现有的候选材料超过1000种，它们的电子特性差异巨大。从理论上预测电子特性比通过实验一个个剔除要来得更快。但是，准确预测材料行为的难度很大。电子能量取决于晶格中原子的特定性质和排列方式，真实材料的这些特性往往比理想化模型来得复杂。此外，还必须考虑电子和原子间的相互作用，近似物也会增加不确定性。
实验发现，电子在二维层状材料中的迁移率不如预想的高。科学家已知这是由于电子散射导致的，但对其作用过程却不甚了解。比如说，晶格振动如何减慢电子流动速度？衬底和保护膜这些邻近材料层，以及附近的电荷和缺陷都会产生影响。以上问题都需要物理学家加以全盘考虑。
生长和测试样品。前景可观的候选材料需要经过实验测试。样品质量非常重要，而且要足够大，这样才可以并入最先进的晶体管和简单的基准电路中。缺陷和晶界会影响电荷流动。因此，研究人员要知道如何用排列整齐的晶体生长出均匀的二维材料片层，以及如何通过控制片层厚度来调整电子特性。
现有两种制备二维晶体片层的方法。首选方法是通过真空室蒸气的原子沉积。另一种方法是剥离，包括机械剥离和溶液脱落——前者产生的晶格缺陷较少，但得到的产物数量过少，无法用于实际设备。
在晶体形成的过程中，衬底会影响其生长。三维材料会与底层紧密结合，严格遵循其原子几何构型。相比之下，二维材料与衬底的结合不太紧密，但仍然会受到其影响。例如，在蓝宝石上生长的MoS2晶体会沿着两个方向生长（0度和60度方向）。其它材料形成的定向性较低的晶粒，其晶界类似于拼图中的接缝，一些部位最后会超过单分子层厚度。
台积电的研究人员正在半导体材料先进研究技术实验室工作。
图片来源：Lain-Jong Li
二维材料需要具有化学稳定性和热稳定性。比如，磷烯和硒化铟在环境大气中会在几个小时内迅速分解。添加保护膜（如氧化物）有助于保护材料，但需要考虑的界面也会增加。
最后，晶体管需要能以可靠的方式实现大规模制造。如今，行业常用的是硅衬底和二氧化硅绝缘体，但这些无法用于取向生长，而且它们的电学性能会在高温下下降，而气相原子沉积必须在高温（600–1000
°C）条件下完成。因此，研究人员需要在能够承受这种高温、但很昂贵的碳化硅或蓝宝石衬底上生长二维材料，再转移到硅衬底，最后并入设备中。分子束外延（真空中的原子束喷涂）是另一种在相对低温（300
°C以下）条件下生长二维材料的方法，但这个方法较慢：样本可能需要数天时间生长，其产量和可重复性也需要进一步提升。
评估设备性能。应在同一框架内对不同二维材料的性能进行评估，因为不同场景或实验室报告的测量数据可能并不一致。衬底的精确成分和结构、夹层、电子接点和制造过程都很重要。每种类型的设备会有自己的需求。比方说，逻辑开关的晶体管必须快速开关，能量高效的晶体管必须在低电压下工作。
学术界和产业界的研究人员应该共同开发测量标准，具体可以参照美国国家可再生能源实验室编制的太阳能电池效率测量标准。标准中应规定设备结构、金属接触标准以及测量流程等内容。
合作与经费
规模近5000亿美元的半导体芯片产业应该划拨经费，寻找以上问题的答案；各级政府也不例外。目前研究最为透彻的二维材料是石墨烯，欧盟委员会筹资10亿欧元的 “石墨烯旗舰”（Graphene Flagship）研究项目正在努力开发石墨烯的应用途径和量产方法。除此之外，很多其它的二维材料仍停留在理论研究阶段。
探索逻辑、存储和连接材料开发的电子学项目应该更多地关注二维材料。一个例子是美国国家科学基金会投资的“二维原子层研究和工程”（2-DARE）。半导体研究公司（Semiconductor Research Corporation）是一家位于美国北卡罗来纳州的非营利研究联盟，许多与之同类的组织应该设立更多项目，推进二维材料的研发。
现在还无法断言二维半导体是否能带来晶体管的革命，但它的确是延续摩尔定律的最佳候选之一。
原文以How 2D semiconductors could extend Moore’s law为标题
发布在2019年3月12日《自然》评论上
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