详情

 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。

（来源：technews，转载请注明出处）