功能性二维微芯片成为现实

KAUST 制造了世界上第一个基于特殊二维材料的完全集成和功能性微芯片。这一突破展示了二维材料在扩展基于微芯片技术的功能和性能方面的潜力。

自 2004 年首次制造出原子级薄石墨层(称为石墨烯)以来，由于其奇特且有前途的物理特性，人们对这种用于先进和新颖应用的材料产生了浓厚的兴趣。但是，尽管进行了二十年的研究，但由于制造和处理此类易碎薄膜的挑战，基于这些二维材料的功能性微型设备仍难以实现。

受 Lanza 实验室最近在功能性 2D 薄膜方面取得的成就的启发，KAUST 领导的合作现已生产并展示了基于 2D 的微芯片原型[1]

“我们的动机是通过使用传统的硅基 CMOS 微电路作为基础和标准半导体制造技术来提高基于 2D 材料的电子设备和电路的技术准备水平，”Lanza 说。“然而，挑战在于合成二维材料可能包含局部缺陷，例如可能导致小型设备出现故障的原子杂质。此外，很难在不损坏微芯片的情况下将二维材料集成到微芯片中。”

研究团队优化了芯片的设计，使其更易于制造并将缺陷的影响降至最低。为此，他们在芯片的一侧制造了标准的互补金属氧化物半导体 (CMOS) 晶体管，并将互连馈送到底部，二维材料可以在小于 0.25 微米的小焊盘中可靠地传输。

“我们在铜箔上生产了二维材料——六方氮化硼或六方氮化硼——并使用低温湿法将其转移到微芯片上，然后我们通过传统的真空蒸发和光刻在顶部形成电极，这是我们内部的流程，”Lanza 说。“通过这种方式，我们制作了一个 5×5 的单晶体管/单忆阻器单元阵列，连接在一个交叉矩阵中。”

二维 h-BN 的奇特特性，这里只有 18 个原子或 6 纳米厚，使其成为理想的“忆阻器”——一种电阻元件，其电阻可以通过施加的电压来设置。在这个 5×5 的排列中，每个微型忆阻器焊盘都连接到一个专用晶体管。这提供了将忆阻器作为功能器件运行所需的精细电压控制，在数千个周期内具有高性能和可靠性，在这种情况下作为低功耗神经网络元件。

“有了这一旗舰突破，我们现在正在与领先的半导体公司交谈，以继续朝这个方向努力，”兰扎说。“我们还考虑在 KAUST 安装我们自己的 2D 材料晶圆级工业处理系统，以提高这种能力。”

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