近年来,深度学习技术突破引领人工智能算法进一步提升,出现了更加先进的神经网络结构和算法,并融入各种新型应用领域。算法复杂度的提升以及数据量的增加,推动对算力的需求呈现出多元化的爆发增长态势,这也使得芯片制造业面临着全新的挑战和机遇。

长期以来,芯片行业的发展遵循“摩尔定律”,即在价格不变的情况下,集成在芯片上的晶体管数量每隔18到24个月将增加一倍。换言之,处理器的性能大约每两年翻一倍。然而,随着芯片上晶体管数量不断增多,体积不断缩小,栅极泄漏、过量发热等物理问题制约着摩尔定律的进一步延续。部分业内人士认为,“摩尔定律”将在2025年左右失效,这将导致日益增长的算力需求陷入停滞。

为了延长摩尔定律的“寿命”,科学家们在各个领域不断进行研究与创新,探索技术演进新方向,新架构、新集成、新设备、新材料逐渐成为业内关注的焦点。其中,二维材料是一个备受关注的研究方向。二维材料是一种特殊的材料,部分二维材料具有优异的物理、化学性质和表面特征,在电子器件、催化剂、传感器等领域有巨大的应用潜力。

“目前,中国在硅基芯片设计与制作方面与国际领先水平的高端技术和设备方面存在一定差距。新型材料的研究与发展,可以直接影响芯片的性能,甚至逐渐影响芯片设计的底层逻辑,或许是从根本上拉进甚至消除这一差距的潜在机会。”新泽西理工学院研究工程师王晓天博士认为,把尽可能多的专利掌握在自己手中,才能在国际合作中占据主导地位。

据王晓天博士介绍,二维材料具有很多独有的特点和优势,在晶体管与芯片研发领域备受关注。与传统三维材料相比,二维材料仅有一个原子或几个原子的厚度,这使得它们非常轻薄,透明度好,同时具有极高的延展性和可弯曲性。除此以外,二维材料在生物医学,能源储存,以及机械领域也都有着广阔的应用前景。

目前,王晓天博士及所在的Yang团队研究的二维材料是过渡金属硫化物。过渡金属硫化物是一类由过渡金属和硫属元素原子组成的化合物,在单层状态下表现出半导体性质并具有直接带隙,使其在电子学、光电子学中有着巨大的研究潜力与广阔的应用前景。

对于过渡金属硫化物,其传统制备方法主要依靠机械剥离、化学气相沉积和液相剥离等方法,但这些方法存在着产量低、缺少对合成材料的控制、材料质量难以保障等问题,使得将这种材料真正应用到商业产品的进程大大减缓。

如何推动量产,实现材料加速应用?王晓天博士及所在的Yang团队选择专注于如何实现过渡金属硫化物的可控生长与掺杂控制。“可控生长对于二维材料的合成非常重要,如果能实现对生长位置,生长面积以及结晶化程度的控制,将会推动二维材料从实验室走向产业界迈出重要的一步。”王晓天博士说。

通过结合光刻技术与接触性生长法,王晓天博士成功实现了使用化学气相沉积对二硫化钼在硅基基底特定位置上的生长合成以及晶化结构的控制,同时结合3D打印技术,首次实现了二硫化钼阵列的大范围定点转移。这些研究成果可以极大提高相关产品的生产效率并且减少二维材料在转移过程中可能受到的污染。

此外,王晓天博士所在的Yang团队合成的铁磁二硫化钼,是第一个室温下保持铁磁性的二维铁掺杂稀磁半导体材料,对于未来光子微处理器的制造,量子信息科学中芯片上的磁性操控,以及缩小自旋电子设备和存储设备储存单元体积等应用有着重要的引路作用。

近年来,中国在二维材料的研究领域投入了大量的精力与财力,也取得了突飞猛进的发展。数据显示,在材料科学领域,中国发表的SCI论文数量已连续多年在全球各国中排名第一。

人才是科技创新的重要基石,在微纳米制造领域也不例外。就如何提升我国微纳米制造人才的数量和质量,王晓天博士提出以下几点建议:加强基础科学教育;加大对高校及科研机构的支持力度,鼓励高校积极参与微纳米制造领域的科学研究和技术创新;加大对企业的支持力度,鼓励产学研合作,促进微纳米制造领域技术的转化和应用,同时为企业提供更多的人才支持;加强学术交流,弥补某些实验设备的不足,为自身的研究带来新的思路;提供更好的人才待遇和发展机会,提高人才的职业满意度和归属感,进而提高微纳米制造人才的数量和质量。