二维材料集成硬件研究综述
作者：Zhuiri Peng等（中国华中科技大学、湖北长江存储器实验室、香港中文大学等）
期刊：*Science China Information Sciences*，2023年6月
主题概述
本文为专题综述，聚焦二维（2D）材料在集成电路（IC）、光电子器件及异质集成硬件中的应用，系统总结了近年来的研究进展，展示了二维材料在突破摩尔定律限制、实现高性能传感与计算融合硬件中的独特优势。
核心观点与论据
1. 二维材料在电子器件中的应用潜力
- 科学背景：传统硅基半导体在纳米尺度下因界面散射导致载流子迁移率骤降，而二维材料（如石墨烯、二硫化钼）凭借原子级平滑表面和无悬键特性，可克服短沟道效应，延续摩尔定律发展。
- 论据支持：
- 实验数据：单层MoS2场效应晶体管（FET）在2英寸蓝宝石晶圆上制备，器件一致性达94%，迁移率102.6 cm²·V⁻¹·s⁻¹（Li et al., 2021）。
- 集成案例：基于CVD石墨烯的300 mm晶圆级FET阵列（26,000个器件）展示74%良率，部分器件迁移率>3000 cm²·V⁻¹·s⁻¹（Rahimi et al., 2014）。
2. 二维材料在存储器与神经形态计算中的应用
- 创新架构：二维材料忆阻器（如h-BN）通过隧穿机制实现高均匀性交叉阵列，适用于非冯·诺依曼架构的神经网络计算。
- 关键研究：
- 2英寸h-BN忆阻器阵列实现98%良率，MNIST手写识别准确率达98.02%（Chen et al., 2020）。
- MoS2忆晶体管（1T1R）阵列支持线性权重更新，能耗低至20 fJ/bit（Feng et al., 2021）。
3. 二维材料光电集成器件的性能突破
- 光探测器：石墨烯与波导集成器件响应带宽达110 GHz（Ding et al., 2020），黑磷探测器在通信波段（1550 nm）实现0.657 A/W响应度（Youngblood et al., 2015）。
- 光调制器：石墨烯电光调制器带宽超120 GHz，插入损耗仅2.5 dB（Koester et al., 2016），媲美传统Ⅲ-Ⅴ族材料。
4. 异质集成传感芯片的进展
- 传感-计算融合：
- 石墨烯-CMOS集成气体传感器通过频率偏移检测NO₂（Zanjani et al., 2017）。
- 单层MoS2活性像素传感器（APS）实现119.16 A/W响应度，支持RGB成像（Hong et al., 2020）。
5. 类脑视觉硬件的仿生设计
- 生物启发：
- 模拟视网膜自适应光响应的MoS2光晶体管阵列，动态范围达199 dB（Liao et al., 2022）。
- WSe2双栅器件实现像素级逻辑运算，能耗为传统电路16%（Zeng et al., 2022）。
挑战与前景
- 材料制备：晶圆级单晶薄膜合成（如MoS2在Au(111)外延生长）仍需优化良率与成本。
- 工艺兼容性：无损转移技术（如PDMS/PMMA辅助法）需解决褶皱与残留问题。
- 架构创新：非冯·诺依曼硬件需协同优化算法与二维材料特性。
科学价值：本文为二维材料从实验室走向半导体工业提供了技术路线图，尤其在神经形态计算、高带宽光互连等领域具有变革潜力。
应用价值：推动显示驱动（如Micro-LED）、智能传感（如集成气体检测）、光电计算（如片上光学神经网络）等产业应用。
亮点总结
- 跨学科整合：融合材料科学、集成电路、光子学与神经形态工程。
- 性能标杆：二维材料器件在速度（石墨烯调制器）、灵敏度（黑磷探测器）、能效（忆阻器阵列）方面刷新纪录。
- 仿生突破：类视网膜硬件为低功耗边缘智能提供新范式。
（注：全文引用文献均来自原文，此处未逐一标注以保持简洁。）