打破摩尔定律瓶颈？2D结合3D材料有望未来建成“芯片都市”

英特尔创始人之一戈登·摩尔(Gordon Moore)曾提出一个摩尔定律：当价格不变时，集成电路上可容纳的元器件的数目，约每隔18-24个月便会增加一倍，性能也将提升一倍。

由于微型化和性能方面的进步，这一被称为摩尔定律的公理自1965年以来一直适用。

然而，集成电路正面临着物理极限，这使得摩尔定律似乎即将失效。过于密集的电路元件会相互干扰。

但是根据Banerjee的说法(他是纳米电子学领域世界领先的科学家之一)，有一种方法可以无限期地维持摩尔定律，那就是利用相对较新、有前途的二维(2D)材料,结合整体3D(M3D)集成实践，创造出超紧凑型的高性能电子芯片,可以克服传统集成电路所面临的挑战。

Banerjee在2014年的一篇有远见的文章中首次提出了这个想法，他的纳电子学研究实验室最近发表了一篇更详细的研究报告，对这项技术进行了评估。

根据Banerjee小组的研究，传统半导体材料在其理想的电子性能开始衰退之前的厚度是有限的。

Banerjee说:“由于表面粗糙度引起的电子散射增加，一般半导体材料的厚度标度在几纳米以下就具有挑战性，它们的迁移率迅速下降。”

“事实上，在~ 1nm以下，像Si或Ge这样的传统材料可能不具有热力学稳定性。”

另一方面，原子薄而稳定的二维材料，如石墨烯、六方氮化硼(h-BN)和过渡金属二卤代烃(MoS2、WS2、WSe2等)，具有高度的空间效率和厚度。

此外，根据论文，二维半导体表现出相当高的流动性和对表面缺陷的免疫力。

2D材料往往比传统材料更灵活，这使它们成为最先进的电子应用的理想选择，如柔性显示器。

同时，与堆叠的3D材料相比，堆叠的2D材料还可以最小化层间信号延迟、热阻，并减少潜在的过热。

根据研究人员的说法，通过选择特定的2D材料并将它们堆叠起来，单片3D不仅节省了芯片上宝贵的空间，而且还允许根据材料的组合电子特性进行配置。

关于其制造业前景，Banerjee也解释了2D和3D材料如何应对低温制造、电磁干扰、散热等难题。

去年，Banerjee的团队演示了一种CMOS兼容的石墨烯合成方法，该方法基本上解决了石墨烯的低温和无转移合成难题。他的实验室也在进行类似的工作，以在低温下直接在晶片上合成其他2D材料。

研究人员指出，通过在层之间使用薄的石墨烯屏蔽层(最好掺杂以增强电磁屏蔽效果)，即使垂直层按比例缩小，也可以防止干扰。

在散热方面，材料本身的厚度有利于让热量从密集堆积的组件有效地消散。

Kamyar Parto是这项研究的合著者，同时也是Banerjee实验室的一名成员，他评论:“与像硅这样的薄化的传统材料相比，2D材料具有更高的平面内热传导性，这有助于快速的横向热传输，从而降低了任何热点形成的风险。”

他补充说:“最终，我们设想通过2D材料实现不同类型的集成设备和技术，实现世界上最高、密度最大的‘芯片城市’，并实现前所未有的性能、存储容量和能源效率。”

原文出处：

https://knowridge.com/2020/01/2d-and-3d-materials-combo-could-keep-moores-law-going/，2D and 3D materials combo could keep Moore’s law going，作者：Sonia Fernandez