中国科学家已经成功采用二维材料制备12英寸晶圆，这一里程碑技术很好地补充了传统硅基芯片。这种新型半导体材料的厚度相当于一个原子，它的突破为下一代半导体技术的过渡铺平了道路。
因为这种材料非常的薄，它可以给晶圆非常出色的半导体特性。但是这个团队的科学家还得解决扩大晶圆尺寸以及高产能生产的问题。北京大学教授刘开辉是这个项目的首席科学家，在南华的独家采访中他说，团队的工作让这种二维材料在业界的实际应用提供了保证。
“我们向业界证明这种方法在科学上是可行的，并逐渐给人们树立了信心。如果未来有行业需求，那么这个领域将会突飞猛进。”
在中国人民大学教授刘灿和中国科学院物理研究所研究员张广宇的共同协作下，刘开辉团队在北京制定了这种制造策略，并在东莞的松山湖材料实验室得到验证。7月30日，他们在《科学通报》期刊上发表了阐述这一发现的论文。
尽管硅非常适合半导体加工，但当前硅芯片因为设备尺寸不断减少而遭遇许多困难。刘开辉说：“当硅晶体管做的越来越薄，电压的控制就变得越糟糕。有时设备已经不工作了，里面还有电流。这导致了额外的能源损耗和发热。”
而二维材料由一到几层原子的结晶固体构成。这种晶圆独特的物理特性来自于其天然的原子级厚度，很好地解决了硅片制造中存在的问题。它们可以应用到高性能的电子设备中。
刘开辉说：“由单层的二维材料MoS2制成的晶体管，厚度约为1纳米，其性能要比由硅制成的同样厚薄的晶体管好上许多倍。”
这种优势让人们把关注点转移到二维材料上。
“一些二维材料被认为是1纳米甚至更小的集成电路的重要材料。它们也被业界认为是可以延续甚至超越摩尔定律的存在，即集成电路的晶体管每两年翻一倍。”
每一层里，二维材料都可以独立存在，这让它们可以一层一层地堆放，比如石墨烯或者过渡金属硫族化合物，包括包括二硫化钼、二硫化钨、二硒化钼和二硒化钨。
然而，要制造具有高度均匀和设备性能的二维材料晶圆，一直是对全球科学家的挑战。
与传统半导体一样，二维技术工业化首先面临的挑战就是制造晶圆。“超过60%的现存芯片市场依赖12英寸晶圆，它的圆片直径大概30厘米。但是制作这么大而均匀的扁平圆圈需要大量的专业知识。”
现在有两大障碍：生产一个足够大的晶圆，并要实现高效生产。
说到尺寸，生产一个直径12英寸的原子层材料就是一个艰巨的任务。先前2英寸的模型已经生产出来了，但是晶圆的增长工艺被证明非常困难，美国、韩国、英国和日本的研究者都束手无策。
在传统工艺上，晶圆通常放到炉子里使用“点对面”的方法实现增长。在炉子里，需求源通过上方的一个喷嘴装置以粉末的方式实现。当晶圆还小的时候，它工作很好，但是当晶圆的尺寸增大后，即使是在炉子里，需求源的扩散变少，这导致了晶圆质量的下降。
“我们开发了一种新的方法，采用一种面对面供应的方式确保晶圆均匀的增大，”该论文的第一作者，博士研究生薛国栋说。“在制造MoS2晶圆时，使用硫族化物晶体板（ZnS）与溶液分散熔盐（Na2MoO4）配合作为元素源。”
刘开辉补充说，在这种制造方法下，制造晶圆不再有任何尺寸上的限制。“这种策略确保了原材料在炉子里可以均匀且充分地共给，解决了先前晶圆制造在尺寸上的限制。我们可以制作更大晶圆，但是12英寸是目前普遍使用的。”
尺寸的问题解决了，团队就必须寻找批量生产的策略。拟议的增长系统是模块化的，然后打包成柱状，就像建造摩天大楼一样。因为不同层之间的空隙都被需求源填充，晶圆增大的过程就变得非常均匀。
这个堆叠方法意味着多层二维材料可以同时实现增大，具有无可比拟的效率和低生产成本。刘开辉说：“我们松山湖材料实验室的工程师团队设计了基于此方案的设备。现在我们每部设备每年可以生产1万片二维晶圆。”
晶圆已经成功制造了，但是要把它们变为可用芯片，依然要求诸如光刻和沉积等复杂的设计和雕刻技术。刘开辉对未来非常自信。“正如半导体行业的历史所揭示的，迭代是关键，一些障碍可能会在工业精细化中得以克服。”
现存的微加工技术需要更深远的探索和优化，以使得二维半导体材料的物理特性与基于硅基的技术相匹配。
刘开辉说：“但是像台积电、英特尔和三星这些领先的半导体公司，现在在研究和开发上大力投资。现在是二维半导体从实验室走到工业应用的过渡阶段。”
“在国家自然科学基金的支持下，中国也在加紧关注相关技术的研发。我们非常确信这种新型材料会在将来扮演一个至关重要的角色，但是它被采用的时间点取决于什么时候硅基技术的局限会成为一个重大痛点。”
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