硅长期以来是半导体技术的基石,但硅时代的终点可能已开始浮现。宾州州立大学(Penn State University)研究团队最近有一项划时代的技术突破──全球首台完全由二维材料制成的CMOS 电脑,为后硅时代开启新篇章。
该研究团队由工程科学教授萨普塔斯·达斯(Saptarshi Das)带领,成功设计并建造了一台单指令集电脑(OISC),使用的是比硅更薄、且能在扩大规模时保持特性的二维材料。这台电脑采用互补式金属氧化物半导体(CMOS)架构,但完全不含硅,改用二硫化钼(MoS₂)做为n型电晶体、二硒化钨(WSe₂)做为p型电晶体。
电子显微镜影像中分别以橘色和蓝色标示出p型与n型电晶体。 (Source:论文)
数十年来,硅推动了电子领域的飞速发展,让场效电晶体(FET)不断微缩,达斯教授解释道,‘然而,随着硅元件持续缩小,效能开始下滑。相比之下,二维材料即使只有原子级厚度,仍能保持优异的电子特性。’ 研究团队采用金属有机化学气相沉积(MOCVD)技术,在蓝宝石晶圆上生长出只有一原子厚的电晶体通道。他们透过精确调整制程,成功制造了超过1000个每种型态的电晶体,并有效控制阈值电压,实现了功能完整的CMOS逻辑电路。
目前,这台二维电脑运行速度较慢,在低供电电压下仅能达到25千赫兹的频率。研究第一作者Subir Ghosh表示:虽然速度比一般硅电路慢,但它能够执行基本逻辑运算,并且极度省电。主要瓶颈是寄生电容问题,团队正积极寻找解决方案,理论上若能克服此问题,运作频率可提升至约5GHz。
这项创新并非立即取代硅技术。达斯认为二维CMOS电脑将在特定领域脱颖而出:它们可能在边缘AI、神经形态系统或柔性电子等专业领域具有竞争力。
在可扩展性方面,团队已在2英寸晶圆上制作了超过2000个电晶体,良率高达95%。虽然部分制程仍需手动操作,但大多数步骤已与业界标准兼容,未来有望实现自动化。
达斯表示,硅技术已发展近80年,二维材料研究却是2010年左右才开始。 虽然二维材料电脑的发展也将是渐进过程,但相比硅的发展历程,这已是巨大的飞跃。
这项研究成果已发表于《Nature》期刊。
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