一種名為“二維半導體”的新型半導體材質近期接連取得研發突破，未來不僅可能取代硅作為半導體原料，更可能成為摩爾定律的“續命”法寶。韓國科學技術研究院（KIST）近日宣布通過開發一種新型超薄電極材料，已成功使基於二維半導體的電子和邏輯器可自由控制電氣性能。
此外，南洋理工大學、北京大學、南京大學等校的研究團隊也在二維半導體集成及材料生長方面取得突破。
與此同時，國內上市公司也在蓄力研發和儲備相關技術，未來或受益這一前沿科技。
中外科研團隊接連取得突破
1965年，英特爾聯合創始人戈登·摩爾提出著名的摩爾定律：集成電路上可容納的元器件的數量每隔18至24個月就會增加一倍，性能也將提升一倍，這意味着單位面積硅芯片上晶體管的物理尺寸越來越小，數量越來越多。但時至今日，一個指甲大小的芯片可承載100億個晶體管，硅晶體管也正在達到其物理極限。摩爾定律的延續，需要完全不同的新材料和新設備。
近年來被廣泛寄予厚望的二維半導體就是其中之一。因傳統硅晶體管基於三維的塊體半導體，在其中電子很難通過納米尺度的通道。但二維材料可使晶體管尺寸進一步縮小，成為原子級超薄的晶體片，方便電荷相對自由地流過。
韓國科學技術研究院（KIST）近日宣布，光電材料與器件中心的Do Kyung Hwang 博士和物理系的Kimoon Lee教授領導的聯合研究小組通過開發新型超薄電極材料（Cl-SnSe2），成功使基於二維半導體的電子和邏輯器可以自由控制其電氣性能。
圖片來源：Wiley Online Library
這項研究攻克了費米能級釘扎（Fermi-level pinning）現象下，傳統二維半導體器件很難實現互補邏輯電路的難題（僅表現N型或P型器件的特性）。使用該新型電極材料，單個器件得以同時執行N型和P型器件的功能，得到一種高性能、低功耗、互補的邏輯電路，可以執行不同的邏輯運算。
Do Kyung Hwang博士預計，開發的二維電極材料非常薄，表現出高透光率和柔韌性。因此，它們可用於下一代柔性透明半導體器件。
南洋理工大學、北京大學、清華大學和北京量子信息科學研究院的研究人員最近展示了利用范德華力成功地將單晶滴定鍶（一種高K鈣鈦礦氧化物）與二維半導體集成。這種方法可以為開發新型晶體管和電子元件開闢新的可能性。
團隊方法示意圖 圖片來源：Tech Xplore
單晶滴定鍶是一種鈣鈦礦氧化物，此前已發現將鈣鈦礦氧化物與具有不同原子結構的材料結合起來幾乎是不可能的。但該團隊採用的智能方法成功繞過這一限制，可以實現幾乎無限的材料組合。
研究人員表示，他們創造的晶體管可用於製造高性能和低功耗互補金屬氧化物半導體逆變器電路。未來，他們的設備可以大規模製造，用於開發低功耗的邏輯電路和微芯片。
不久前，南京大學王欣然教授團隊與東南大學王金蘭教授團隊合作宣布，在國際上首次實現大面積均勻的雙層二硫化鉬（已知的二維半導體材料中光電性能最優秀的材料之一）薄膜外延生長。
“這份研究不僅突破了大面積均勻雙層二硫化鉬的層數可控外延生長技術瓶頸，研製了最高性能的二硫化鉬晶體管器件，而且雙層二硫化鉬層數可控成核新機制有望進一步拓展至其他二維材料體系的外延生長，為後硅基半導體電子器件的替代材料提供了一種新的方向和選擇。”論文共同第一作者、東南大學教授馬亮表示。
在已知二硫化鉬的研究中，雙層二硫化鉬相比單層二硫化鉬具有更高的載流子遷移率、更大的驅動電流，在電子器件的應用中更有優勢。但傳統生長模式獲得的雙層二硫化鉬存在層數均勻性差和薄膜不連續的難題，該團隊提出了襯底誘導的雙層成核以及“齊頭並進”的全新生長機製取得突破。
英特爾和台積電的角逐 國內上市公司也在發力
除了科研團隊，商業巨頭們在二維半導體領域的研發也在緊鑼密鼓地推進。誰能領先對手一步實現晶體管微縮，誰就能掌握未來芯片乃至科技領域的話語權，這場競爭甚至可能決定誰是未來十年的芯片霸主。
在去年12月舉辦的IEEE國際電子設備會議上，英特爾和台積電展示了他們針對二維半導體高電阻低電流難題的解決方案。在半導體與金屬接觸的地方有尖銳的電阻尖，這是二維半導體當前最大的障礙。台積電和英特爾通過使用半金屬銻作為觸點材料來降低半導體和觸點之間的能量障礙，從而實現二維半導體與器件的低電阻連接。
台積電自2019年以來就尋找能取代硅的二維材料。去年5月，台積電率先宣布發現半金屬鉍能作為二維半導體的結合材料達到極低電阻。但鉍存在熔點太低的缺陷，無法經受後續芯片的高溫加工。
值得一提的是，二維半導體的研發並不僅是巨頭的戰場，國內上市公司的身影也不容忽視。
2021年9月，南京大學電子科學與工程學院王欣然教授課題組突破了二維半導體單晶製備和異質集成關鍵技術，其中就有天馬微電子股份有限公司（深天馬A）的合作。這一突破為未來Micro LED顯示技術發展提供了全新技術路線。彼時就有投資者第一時間向深天馬A提問，該公司回復確認上述突破消息屬實，公司參與了相關研究。
目前二維半導體研究最多的兩個材料，二硫化鉬（molybdenum disulfide）和二硫化鎢（tungsten disulfide）也有公司涉足。
鉬專業生產商金鉬股份去年8月官宣，成功將類石墨烯二硫化鉬應用於鋰離子電池中。在二維半導體應用方面，公司方面對記者表示，二硫化鉬作為一種前沿的材料，公司一直有生產，也有小規模的銷售，但目前在公司產品中佔比非常小，應用方面的情況不清楚。
家居和新材料領域公司德爾未來2021年6月在投資者互動平台透露，公司控股子公司烯成石墨烯有二硫化鉬製備設備的技術儲備，主要用於製備二硫化鉬二維半導體材料。
不過，德爾未來內部人士向記者表示，該公司的技術儲備至今尚未有進一步推進，也沒有商業化生產。該技術儲備與公司戰略有關，具體應用尚不確定。