阿卜杜拉國王科技大學Mario?Lanza教授Nature

01 導讀

利用二維（2D）材料的優異電子特性來制造先進的電子電路是半導體行業的主要目標。二維材料作為晶體管溝道材料首次于2017年被納入國際半導體器件與系統路線圖（IRDS），最新的技術路線預測二維材料將于2034年被正式商業化。與此同時，各大半導體商業公司都緊鑼密鼓地開展二維材料器件與集成的相關實驗，其中比利時微電子研究中心（Imec）聚焦于二硫化鉬（MoS₂）和二硫化鎢（WS₂）的晶圓級生長，因特爾（Intel）專注于NMOS（基于MoS₂）和PMOS（基于二硒化鎢WSe₂）的協同開發實現互補CMOS邏輯，臺積電和麻省理工學院（MIT）合作聚焦于半導體和金屬之間的超低阻歐姆接觸。然而，該領域的大多數研究局限于在無功能的二氧化硅襯底上制備和表征單個孤立的大器件（>1μm²），集成密度低，且沒有實現實驗上的計算，更多的是基于單個器件的模擬。

02 成果掠影

阿卜杜拉國王科技大學（沙特阿拉伯）教授Mario Lanza，西班牙科學家，創造了第一個基于二維材料的高集成密度的芯片，即將徹底改變納米電子學和半導體領域。這項名為“Hybrid 2D/CMOS microchips for memristive applications”的工作發表在Nature雜志上，已經引起了諸如臺積電（TSMC）和荷蘭阿斯麥（ASML）等領先半導體公司的興趣。

Lanza 教授領導的團隊首次將一種二維絕緣材料，約 6 納米厚的多層六方氮化硼，集成在包含 CMOS 技術的硅基晶體管芯片上——CMOS 代表互補金屬氧化物半導體， 我們日常使用的電子產品（手機、計算機、汽車、醫療器械和家用電器等）中都存在的一種技術。正如 Lanza 教授所解釋的那樣：“其中六方氮化硼充當憶阻器，晶體管充當電流選擇器和限制器”。在確認二維材料的集成成功實現后，研究人員將這些獨立的器件通過光刻和金屬蒸鍍進行互連，形成交叉陣列狀的電路。

雖然大多數人還不知道這種類型的電路，但憶阻器可以在最先進的電子產品中用于存儲信息（制造存儲器如 U盤）和處理信息（用于人工智能系統的人工神經網絡）。Lanza 教授的團隊制備的混合 2D/CMOS 器件具有低功耗和高耐用性，并且可以通過施加電脈沖將其導電率動態調整到不同電導水平——一種稱為脈沖時序依賴可塑性的特性——可用于制造具有極低功耗的人工神經網絡。

03 核心創新點

高集成密度的混合2D/CMOS芯片的制造，及所實現的高性能和高技術成熟度代表著二維材料在微電子產品和憶阻應用中的集成取得了重大進展。

04 數據概覽

圖1?混合 2D/CMOS 憶阻芯片的制造。CMOS 代表互補金屬氧化物半導體。 我們將一張多層六方氮化硼（h-BN）轉移到包含 180 納米節點 CMOS 晶體管的硅芯片的后端工序（BEOL）互連上，并通過圖案化頂部電極和互連來完成電路。其中六方氮化硼充當憶阻器，晶體管充當電流選擇器和限制器。@2023 Springer Nature.

圖2 基于 h-BN/CMOS 的 1T1M 單元的電學特性。CMOS 晶體管對流過 h-BN 憶阻器的電流提供出色的控制，這使我們能夠在小至 ~0.053μm²?的憶阻器中實現約 500 萬次耐久性的循環。 @2023 Springer Nature.

圖3 使用基于h-BN/CMOS的 1T1M 單元實現脈沖神經網絡。我們通過構建邏輯門來演示內存計算，并測量適用于脈沖神經網絡（SNN）實施的脈沖時間相關可塑性（STDP）信號。 @2023 Springer Nature.

05 成果啟示

過去，IBM 曾嘗試將石墨烯集成到晶體管中以用于射頻應用，但集成密度過低以至于無法存儲或處理信息。相比之下，Lanza教授團隊制造的器件尺寸僅為 260 納米，如果有更先進的芯片制造工藝，可以很容易地制造得更小。這項工作代表了二維材料在納米電子學和半導體領域應用的突破，不僅因為所生產的器件和電路具有高性能，還因為達到了相對較高的技術成熟度——所使用的所有工藝都與半導體行業兼容。Lanza 教授說：“在未來，大多數芯片將利用二維材料的許多獨特特性”。

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

本文由第一作者朱凱晨和通訊作者Mario?Lanza供稿。

06 通訊作者簡介

Mario Lanza 教授是二維材料及其相關納米電子器件領域的世界級專家，特別是對用于信息存儲和計算的憶阻器感興趣。此外Lanza教授還是導電原子力顯微鏡的專家，受Wiley出版社邀請編著了《Conductive Atomic Force Microscopy: Applications in Nanomaterials》作為教科書。

Lanza教授現就職于阿卜杜拉國王科技大學（KAUST），在那里他成立了一個全新的、技術先進的納米電子學研究實驗室，只用可擴展的方法來合成材料和圖案化器件，相關工作一直受到工業界的廣泛關注。

Mario Lanza 教授已經發表了多篇突破性的論文，包括 Science（2）、Nature（1）、Nature Electronics（5）、Nature Chemistry（1）、Nature Communications（2）、Advanced Materials（2）等，他還是多個期刊和國際會議的委員會成員。

他的學生有些已經就職于頂尖高校如中國科學技術大學和鄭州大學等，有些被最著名的機構錄取為博士后研究人員，包括斯坦福大學和 IMEC 等，還有些去了劍橋大學讀博士，去MIT交流。在他的指導下，從事該領域研究的學生獲得了瑪麗-居里博士后研究員、IEEE-電子器件協會優秀博士生獎、英國皇家化學學會流動獎等頂級獎學金或獎項。