原子薄技术在全球首台二维计算机中取代硅

今日（6月11日）发表于Nature的研究进展代表了实现更薄、更快、更高能效电子器件的重大飞跃，研究人员称。他们创建了一种互补金属氧化物半导体（CMOS）计算机——该技术是现代几乎所有电子设备的核心——而未依赖硅材料。相反，他们使用两种不同的二维材料开发了CMOS计算机中控制电流所需的两种晶体管：二硫化钼（MoS₂）用于n型晶体管，二硒化钨（WSe₂）用于p型晶体管。

“数十年来，硅通过实现场效应晶体管（FET）的持续微型化推动了电子学的显著进步，”该项研究的领导者、宾夕法尼亚州立大学Ackley冠名工程教授兼工程科学与力学教授Saptarshi Das说。FET通过施加电压产生的电场控制电流。“然而，随着硅器件尺寸缩小，其性能开始下降。相比之下，二维材料在原子厚度下仍能保持优异的电子特性，提供了一条有前景的前进路径。”

Das解释道，CMOS技术需要n型和p型半导体协同工作以实现高性能和低功耗——这是阻碍超越硅材料努力的关键挑战。尽管先前的研究展示了基于二维材料的小型电路，但扩展到复杂、功能完备的计算机仍是难题，Das表示。

“这是我们工作的关键进展，”Das说。“我们首次展示了完全由二维材料构建的CMOS计算机，结合了大面积生长的二硫化钼和二硒化钨晶体管。”

该团队采用金属有机化学气相沉积（MOCVD）——一种涉及汽化原料、引发化学反应并在基底上沉积产物的制造工艺——来生长大面积二硫化钼和二硒化钨片，并制造了各超过1000个的两种晶体管。通过精细调控器件制造和后处理步骤，他们能够调整n型和p型晶体管的阈值电压，从而构建出功能完备的CMOS逻辑电路。

“我们的二维CMOS计算机在低电源电压下运行，功耗极低，能以最高25千赫兹的频率执行简单逻辑运算，”第一作者、在Das指导下攻读工程科学与力学博士学位的Subir Ghosh说。

Ghosh指出，与传统硅CMOS电路相比，其工作频率较低，但他们的计算机（称为单指令集计算机）仍能执行简单逻辑运算。

“我们还开发了一个计算模型，利用实验数据进行校准并结合器件间差异，以预测我们的二维CMOS计算机性能，并与最先进的硅技术进行基准测试，”Ghosh说。“尽管还有进一步优化的空间，但这项工作标志着利用二维材料推动电子学领域发展的一个重要里程碑。”

Das认同此观点，他解释需开展更多工作以进一步发展二维CMOS计算机方法供广泛应用，但也强调该领域相较于硅技术的发展正快速推进。

“硅技术已发展约80年，但二维材料研究相对较新，真正兴起大约在2010年左右，”Das说。“我们预计二维材料计算机的发展也将是一个渐进过程，但相比硅的发展轨迹，这已是一大飞跃。”

Ghosh和Das将此成果归功于宾夕法尼亚州立大学的二维晶体联盟材料创新平台（2DCC-MIP）为其提供了展示该途径所需的设施和工具。Das还隶属于宾夕法尼亚州立大学的材料研究所、2DCC-MIP以及电气工程系和材料科学与工程系。宾夕法尼亚州立大学工程科学与力学系的其他贡献者包括研究生Yikai Zheng、Najam U. Sakib、Harikrishnan Ravichandran、Yongwen Sun、Andrew L. Pannone、Muhtasim Ul Karim Sadaf和Samriddha Ray；以及助理教授Yang Yang。Yang还隶属于材料研究所和宾夕法尼亚州立大学Ken and Mary Alice Lindquist核工程系。论文共同作者还包括2DCC-MIP主任、材料科学与工程及电气工程杰出教授Joan Redwing，以及助理研究教授Chen Chen。其他贡献者包括Musaib Rafiq和Subham Sahay（印度理工学院）；以及Mrinmoy Goswami（贾达普大学）。

美国国家科学基金会、陆军研究办公室和海军研究办公室部分支持了这项工作。