阿卜杜拉国王科技大学Mario Lanza教授Nature

01 导读

利用二维（2D）材料的优异电子特性来制造先进的电子电路是半导体行业的主要目标。二维材料作为晶体管沟道材料首次于2017年被纳入国际半导体器件与系统路线图（IRDS），最新的技术路线预测二维材料将于2034年被正式商业化。与此同时，各大半导体商业公司都紧锣密鼓地开展二维材料器件与集成的相关实验，其中比利时微电子研究中心（Imec）聚焦于二硫化钼（MoS₂）和二硫化钨（WS₂）的晶圆级生长，因特尔（Intel）专注于NMOS（基于MoS₂）和PMOS（基于二硒化钨WSe₂）的协同开发实现互补CMOS逻辑，台积电和麻省理工学院（MIT）合作聚焦于半导体和金属之间的超低阻欧姆接触。然而，该领域的大多数研究局限于在无功能的二氧化硅衬底上制备和表征单个孤立的大器件（>1µm²），集成密度低，且没有实现实验上的计算，更多的是基于单个器件的模拟。

02 成果掠影

阿卜杜拉国王科技大学（沙特阿拉伯）教授Mario Lanza，西班牙科学家，创造了第一个基于二维材料的高集成密度的芯片，即将彻底改变纳米电子学和半导体领域。这项名为“Hybrid 2D/CMOS microchips for memristive applications”的工作发表在Nature杂志上，已经引起了诸如台积电（TSMC）和荷兰阿斯麦（ASML）等领先半导体公司的兴趣。

Lanza 教授领导的团队首次将一种二维绝缘材料，约 6 纳米厚的多层六方氮化硼，集成在包含 CMOS 技术的硅基晶体管芯片上——CMOS 代表互补金属氧化物半导体， 我们日常使用的电子产品（手机、计算机、汽车、医疗器械和家用电器等）中都存在的一种技术。正如 Lanza 教授所解释的那样：“其中六方氮化硼充当忆阻器，晶体管充当电流选择器和限制器”。在确认二维材料的集成成功实现后，研究人员将这些独立的器件通过光刻和金属蒸镀进行互连，形成交叉阵列状的电路。

虽然大多数人还不知道这种类型的电路，但忆阻器可以在最先进的电子产品中用于存储信息（制造存储器如 U盘）和处理信息（用于人工智能系统的人工神经网络）。Lanza 教授的团队制备的混合 2D/CMOS 器件具有低功耗和高耐用性，并且可以通过施加电脉冲将其导电率动态调整到不同电导水平——一种称为脉冲时序依赖可塑性的特性——可用于制造具有极低功耗的人工神经网络。

03 核心创新点

高集成密度的混合2D/CMOS芯片的制造，及所实现的高性能和高技术成熟度代表着二维材料在微电子产品和忆阻应用中的集成取得了重大进展。

04 数据概览

图1 混合 2D/CMOS 忆阻芯片的制造。CMOS 代表互补金属氧化物半导体。 我们将一张多层六方氮化硼（h-BN）转移到包含 180 纳米节点 CMOS 晶体管的硅芯片的后端工序（BEOL）互连上，并通过图案化顶部电极和互连来完成电路。其中六方氮化硼充当忆阻器，晶体管充当电流选择器和限制器。@2023 Springer Nature.

图2 基于 h-BN/CMOS 的 1T1M 单元的电学特性。CMOS 晶体管对流过 h-BN 忆阻器的电流提供出色的控制，这使我们能够在小至 ~0.053µm² 的忆阻器中实现约 500 万次耐久性的循环。 @2023 Springer Nature.

图3 使用基于h-BN/CMOS的 1T1M 单元实现脉冲神经网络。我们通过构建逻辑门来演示内存计算，并测量适用于脉冲神经网络（SNN）实施的脉冲时间相关可塑性（STDP）信号。 @2023 Springer Nature.

05 成果启示

过去，IBM 曾尝试将石墨烯集成到晶体管中以用于射频应用，但集成密度过低以至于无法存储或处理信息。相比之下，Lanza教授团队制造的器件尺寸仅为 260 纳米，如果有更先进的芯片制造工艺，可以很容易地制造得更小。这项工作代表了二维材料在纳米电子学和半导体领域应用的突破，不仅因为所生产的器件和电路具有高性能，还因为达到了相对较高的技术成熟度——所使用的所有工艺都与半导体行业兼容。Lanza 教授说：“在未来，大多数芯片将利用二维材料的许多独特特性”。

原文详情：Hybrid 2D/CMOS microchips for memristive applications (Nature 2023, DOI: https://www.nature.com/articles/s41586-023-05973-1)

本文由第一作者朱凯晨和通讯作者Mario Lanza供稿。

06 通讯作者简介

Mario Lanza 教授是二维材料及其相关纳米电子器件领域的世界级专家，特别是对用于信息存储和计算的忆阻器感兴趣。此外Lanza教授还是导电原子力显微镜的专家，受Wiley出版社邀请编著了《Conductive Atomic Force Microscopy: Applications in Nanomaterials》作为教科书。

Lanza教授现就职于阿卜杜拉国王科技大学（KAUST），在那里他成立了一个全新的、技术先进的纳米电子学研究实验室，只用可扩展的方法来合成材料和图案化器件，相关工作一直受到工业界的广泛关注。

Mario Lanza 教授已经发表了多篇突破性的论文，包括 Science（2）、Nature（1）、Nature Electronics（5）、Nature Chemistry（1）、Nature Communications（2）、Advanced Materials（2）等，他还是多个期刊和国际会议的委员会成员。

他的学生有些已经就职于顶尖高校如中国科学技术大学和郑州大学等，有些被最著名的机构录取为博士后研究人员，包括斯坦福大学和 IMEC 等，还有些去了剑桥大学读博士，去MIT交流。在他的指导下，从事该领域研究的学生获得了玛丽-居里博士后研究员、IEEE-电子器件协会优秀博士生奖、英国皇家化学学会流动奖等顶级奖学金或奖项。