Eine neue Ära der Chips wird beginnen.

In jüngster Zeit habe ich in einem Artikel namens "Chips, die neueste Roadmap" die Prognosen von IMEC für die Halbleiter-Roadmap der nächsten 14 Jahre geteilt.

IMECs Prognose für die Roadmap bis 2039

Man kann feststellen, dass mit der Entwicklung fortschrittlicher Prozessknoten und der Innovation der Transistorarchitektur zweidimensionale Halbleitermaterialien möglicherweise zum Fokus der Branche in Zukunft werden.

Eigentlich verlangsamt sich die Moore'sche Regel zunehmend. Mit der Annäherung der Prozessknoten an die physikalischen Grenzen wird die Herstellungsstruktur von Silizium-basierten dreidimensionalen Transistoren immer komplexer, die erforderlichen Kosten steigen exponentiell, während der Grenznutzen der technologischen Entwicklung deutlich abnimmt.

Zur gleichen Zeit hat sich der Schwerpunkt der Innovation von der Größenverkleinerung zur Funktionsverkleinerung verschoben, um den Fortschritt der Moore'schen Regel aufrechtzuerhalten. In der schwierigen Reise von FinFET zu Nanosheet und sogar zukünftigen CFET-Transistorarchitekturen hat die Branche sich klar bewusst gemacht: Allein die dreidimensionale Stapeltechnologie auf Siliziumbasis reicht nicht mehr aus, um eine nachhaltige Verkleinerung und eine Verbesserung der Energieeffizienz zu gewährleisten. Die Suche nach einer grundlegenden Materialinnovation ist der Schlüssel, um die Engpässe zu überwinden und eine neue Wachstumskurve zu eröffnen.

Vor diesem Hintergrund ist der strategische Übergang von traditionellen Silizium-basierten dreidimensionalen Materialien zu zweidimensionalen Halbleitermaterialien schnell zum Kernfokus der globalen Halbleiterforschung und -industrieausrichtung geworden und hat die Aufmerksamkeit von Forschern und der Industrie weltweit auf sich gezogen.

Zweidimensionale Halbleiter kommen mit voller Wucht

Es ist bekannt, dass mit der Annäherung der Halbleiterprozesse an die Sub-Nanometer-Ebene Silizium-basierte Bauelemente physikalische Grenzen wie Dickenfluktuationstreuung, Quantentunnelungseffekt und Kurzkanaleffekt erfahren, was zu einer deutlichen Verschlechterung der Leistung führt und der Haupthemmschwelle für die Fortsetzung der Moore'schen Regel wird. Die dreidimensionale Stapeltechnologie kann zwar das Wachstum der Transistordichte fortsetzen, aber die 3D-Integration mit traditionellen Kanalmaterialien wird äußerst herausfordernd, und die Abhängigkeit von der nanoskaligen Justiergenauigkeit der EUV-Lithografie erhöht den Kostendruck.

Deshalb bietet die Einführung von zweidimensionalen Materialien als Kanalmaterial eine innovative Lösung für die Herausforderungen der Größenverkleinerung.

Dank der atomaren Dicke (0,3 - 10 nm) und der Van-der-Waals-Heteroübergangstechnologie können zweidimensionale Materialien vertikale Feldeffekttransistoren (VFET) aufbauen, um eine 10-fache Dichte gegenüber FinFET zu erreichen und ein Schaltverhältnis von 10⁶ bei einer Gatelänge von 1 nm beizubehalten. Ihre einzigartigen elektrischen Eigenschaften (z. B. die Beweglichkeit von Schwarzphosphor von 60.000 cm²V⁻¹s⁻¹) und Quanteneigenschaften (z. B. der supraleitende Zustand von Magic-Angle-Graphen, der Vallepolarisationseffekt von Wolframselendid etc.) machen sie zum idealen Kanalmaterial für die nächste Generation von integrierten Schaltkreischips.

Zusätzlich haben zweidimensionale Materialien Vorteile für die Chipanwendung. Im Gegensatz zu traditionellen massiven Siliziummaterialien zeigen zweidimensionale Materialien in der Ebene eine Gitterperiodizität. Durch die Kontrolle der geometrischen Struktur wie der Anzahl der Schichten und der Heterostruktur von zweidimensionalen Materialien oder die äußere Anregung von Dehnung und elektrischem Feld kann man die Gitterperiodizität ändern und schließlich die Bandstruktur und die Bandlücke beeinflussen. Die verschiedenen Gitterstrukturen und Atomarrangements von zweidimensionalen Materialien erzeugen verschiedene Elektronenbandstrukturen, was zu einem breiten Bandbereich führt, der Halbmetalle, Halbleiter und Isolatoren umfasst. Zweidimensionale Materialien lassen sich leicht mit anderen Materialien integrieren und sind nicht an die Übereinstimmung der Gitterkonstanten gebunden.

Mit dem Beginn der Ära von KI und Big Data wurden einige neue Rechenarchitekturen und -mechanismen in die nächste Generation von Rechentechnologien eingeführt. Dank der einzigartigen Eigenschaften von zweidimensionalen Materialien werden Speicherbauelemente, neuromorphe Bauelemente, Quantenbauelemente, Ionentransistoren etc. auf der Grundlage von zweidimensionalen Materialien weitgehend erforscht und angewendet und werden zum Kernmotor, um die physikalischen Grenzen in der Post-Moore-Zeit zu überwinden.

Das typischste und am frühesten experimentell belegte zweidimensionale Material ist Graphen. Im Jahr 2004 haben K. S. Novoselov und andere in der Zeitschrift Science einen Artikel veröffentlicht, in dem sie berichteten, dass sie durch mechanisches Abblättern von hochorientiertem pyrolytischem Graphit Graphen gewonnen und dessen einzigartige und ausgezeichnete elektrische Eigenschaften bewiesen haben.

Als das erste entdeckte zweidimensionale Material wird Graphen mit einer Dicke von nur 0,335 Nanometern als das vielversprechendste Ersatzmaterial für Halbleiter angesehen. Es hat extrem ausgezeichnete physikalische Eigenschaften wie hohe Festigkeit, hohe elektrische Leitfähigkeit und hohe Wärmeleitfähigkeit. Die Wissenschaftler hoffen, damit die nächste Generation von Halbleiterbauelementen herzustellen. Es ist ein starker Kandidat für die nächste Generation von "Kohlenstoff-basierten Halbleitern".

Eine frühere Studie von IBM hat gezeigt, dass Graphenchips im Vergleich zu Silizium-basierten Chips eine größere Verbesserung in Leistung und Energieverbrauch erwarten lassen. Beispielsweise kann ein Graphenchip mit 7-Nanometer-Prozess im Vergleich zu einem Silizium-basierten Chip mit 7-Nanometer-Prozess die Geschwindigkeit um bis zu 300 % erhöhen - unter der Voraussetzung, dass man in der Bandlücke von Graphen eine "Lücke" öffnen kann.

Allerdings kann Graphen als Halbmetallmaterial aufgrund seiner Null-Bandlücke nicht den idealen Zustand eines Halbleiterstroms im ausgeschalteten Zustand erreichen und ist schwierig als elektronischer Schalter wie ein Transistor herzustellen, was seine Anwendung in logischen Bauelementen einschränkt. Deshalb zeigte sich das Team von K. S. Novoselov in einem Kommentarartikel über Graphen im Jahr 2007 pessimistisch.

Über einen langen Zeitraum nach der Entstehung von Graphen konnte es tatsächlich keine "Anwendungsmöglichkeiten" im Halbleiterbereich finden. Trotzdem erregten zweidimensionale Materialien, repräsentiert durch Graphen, große Aufmerksamkeit, und neue zweidimensionale Materialien tauchen wie Pilze aus dem Boden auf.

Seit der erfolgreichen Isolierung von Graphen im Jahr 2004 wurden zweidimensionale Materialsysteme wie Übergangsmetall-Dichalkogenide (TMDCs, wie MoS₂, WS₂), hexagonalem Bornitrid (h-BN), Schwarzphosphor und MXene weitgehend erforscht. Insbesondere nach 2010 markierte die erfolgreiche Herstellung von Monolagen-MoS₂-Transistoren den Beginn der praktischen Anwendung von zweidimensionalen Halbleitern.

Im Jahr 2024 hat ein Forschungsteam aus der Tianjin University in China und der Georgia Institute of Technology in den USA einen großen Durchbruch erzielt, indem sie eine Methode zur Herstellung von epitaktischen Halbleiter-Graphen-Monolagen auf Siliziumcarbid-Wafern mit einem speziellen Ofen entwickelt haben. Die Studie hat gezeigt, dass epitaktisches Graphen, wenn es richtig hergestellt wird, chemische Bindungen mit Siliziumcarbid eingeht und Halbleitereigenschaften zeigt. Dies hat den langjährigen Schlüsseltechnikengpass für die Entwicklung der Graphenelektronik überwunden, die Bandlücke von Graphen geöffnet und einen Durchbruch von "0" auf "1" erzielt. Der zugehörige Artikel wurde in der Zeitschrift "Nature" veröffentlicht. So hat Graphen eine "Neugeborenheit" bekommen.

Aufgrund vieler Vorteile sind zweidimensionale Materialien seit der Entdeckung von Graphen allmählich zu einer großen Familie mit vielen Mitgliedern und verschiedenen Kategorien geworden. Diese üblichen zweidimensionalen Halbleitermaterialien haben jeweils unterschiedliche Bandstrukturen und Elektroneneigenschaften und umfassen Materialtypen von Supraleitern, Metallen, Halbmetallen, Halbleitern bis hin zu Isolatoren. Sie haben auch ausgezeichnete optische, mechanische, thermische, magnetische etc. Eigenschaften.

Kristallstrukturen und Eigenschaften einiger typischer zweidimensionaler Materialien

• Graphen: Null-Bandlücken-Dirac-Fermionensystem. Die Elektronenstruktur von Graphen zeigt eine lineare Dispersionsrelation und bildet an den K-Punkten Dirac-Kegel. Die Ladungsträgerbeweglichkeit ist extrem hoch und kann bei Raumtemperatur 10⁴ - 10⁵ cm²/V·s erreichen. Das Verhalten seiner Quasiteilchen ist annähernd masselos, die Spinstreulänge ist lang. Es eignet sich für die Hochfrequenzelektronik und die Spin-Transportforschung. Allerdings schränkt die Null-Bandlücke seine Anwendung in digitalen Schaltbauelementen ein. Man muss die Bandstruktur durch Bandlücken-Engineering steuern.
• TMDs: Direkte Bandlücke und Kopplung von Spin und Vallee. Typische TMDs (wie MoS₂, WS₂) zeigen im Monolagenzustand die Eigenschaften eines direkten Bandlücken-Halbleiters, die Bandlücke beträgt etwa 1,8 eV und ist begleitet von starker Spin-Bahn-Kopplung und der Brechung der räumlichen Inversionssymmetrie, was zur Kopplung von Spin und Vallee-Freiheitsgrad führt. Dieser physikalische Mechanismus macht TMD zu einer idealen Plattform für die Vallee-Elektronik und die optische Spin-Manipulation. Obwohl seine Beweglichkeit niedriger ist, haben seine stabile Bandlücke und ausgezeichnete optoelektrische Antwort praktische Anwendungsaussichten in Transistoren und optoelektrischen Detektoren.
• Schwarzphosphor: Anisotropie und einstellbare Bandlücke. Schwarzphosphor ist eines der wenigen intrinsischen direkten Bandlücken-Materialien. Seine Bandstruktur ist empfindlich gegenüber der Anzahl der Schichten und kann von 2 eV in der Monolage kontinuierlich auf etwa 0,3 eV im Massivmaterial abgestimmt werden. Gleichzeitig führt die Kristallstruktur von Schwarzphosphor zu starker Elektronenanisotropie, was ihm einzigartige Anwendungsaussichten in richtungsabhängigen Bauelementen verleiht. Obwohl seine Beweglichkeit im Bereich von Tausenden cm²/V·s liegen kann, ist seine chemische Instabilität ein großer Hemmschwelle für seine Entwicklung.
• MXene: Zweidimensionales Metall und Plattform für die Grenzflächen-Engineering. MXene ist eine Klasse von schichtförmigen Übergangsmetallkarbiden/Nitriden. Seine natürliche Metallizität, hohe elektrische Leitfähigkeit und Oberflächenfunktionalgruppen verleihen ihm breite Potenziale in der Kontakt-Engineering, Elektrochemie und einstellbaren Bandstruktur-Design. Studien haben gezeigt, dass man durch die Steuerung der Oberflächenendgruppen und der Grenzflächenspannung MXene von einem Metall in einen Halbleiterzustand überführen kann. Es ist eines der am höchsten engineerbaren Systeme unter den zweidimensionalen Materialien.

Dank des Quanteneinschlusseffekts in der Richtung der Atomschichtdicke zeigen diese zweidimensionale Materialien völlig unterschiedliche Eigenschaften im Vergleich zu ihren entsprechenden dreidimensionalen Strukturen. Der Übergang von Silizium-basierten dreidimensionalen Materialien zu zweidimensionalen Halbleitermaterialien ist nicht nur eine Materialinnovation, sondern auch ein Sprung in der Halbleitertechnik. Es ist möglich, die Verlangsamung der Moore'schen Regel zu überwinden und die Halbleiterindustrie in eine neue Entwicklungsphase zu führen.

Professor Ren Tianling und Assistentprofessor Tian He von der Tsinghua University, Professor Liu Ziyu von der Fudan University, Professor Guo Hao von der North University of China, Assistentforscher Peng Song'ang vom Institut für Mikroelektronik der Chinesischen Akademie der Wissenschaften und Professor Deng Tao von der Beijing Jiaotong University und andere haben die Forschungsfortschritte von zweidimensionalen Halbleitern in der Prozess-Engineering und verschiedenen Chipanwendungsbereichen zusammengefasst.

Schematische Darstellung der allgemeinen Roadmap für zweidimensionale Schaltkreise, (a) Zeitlinie der Entwicklung von Silizium-basierten, Kohlenstoffnanoröhren-basierten und zweidimensionalen integrierten Schaltkreisen, (b) Realisierungsroute und zukünftige mögliche Anwendungsbereiche von zweidimensionalen Schaltkreisen

Große Unternehmen wie TSMC, Intel, Samsung und IMEC beschleunigen ihre Anstrengungen, sich auf dem Gebiet der zweidimensionalen Halbleiter zu positionieren. Sie haben enorme Mittel in die Forschung und Integration von zweidimensionalen Halbleitermaterialien investiert, um die Branche von der Laborphase in die Massenproduktion zu führen.

Daten zeigen, dass der weltweite Markt für zweidimensionale Halbleitermaterialien im Jahr 2024 einen Volumen von 1,8 Milliarden US-Dollar erreichte, wobei Graphen der größte Segmentmarkt war, was hauptsächlich auf seine überlegene elektrische Leitfähigkeit und mechanische Festigkeit zurückzuführen ist und einen Anteil von 45 % hat. Übergangsmetall-Dichalkogenide (TMDs) sind der zweite größte Segmentmarkt aufgrund ihrer einzigartigen elektronischen Eigenschaften und Vielseitigkeit in verschiedenen Anwendungen und haben einen Anteil von 30 %. Mit der Reife der Herstellungstechnologie wird erwartet, dass der Marktvolumen von 2025 bis 2030 mit einer zusammengesetzten Wachstumsrate von 24 % - 26,5 % expandieren wird und im Jahr 203