迄今為止最複雜的2D微晶元：該二硫化鉬微處理器包含100多個晶體管

當使用硅材料再也無法取得進一步發展時，科學家們希望通過使用石墨烯或二硫化鉬等2D材料讓摩爾定律繼續生效。幾十年前，戈登?摩爾曾預測，集成電路中的晶體管數目會不停地增長。維也納工業大學（VUT）的研究人員所研發出的只有3個原子厚度的微晶元，也許是摩爾定律被提出後出現的首例2D材料。這項研究的主要研究者，維也納工業大學的電氣工程師托馬斯?穆勒（Thomas Müller）說，此前，集成電路上由2D材料製成的晶體管數量一直都是個位數。他和同事一起研發出的晶元包含115個晶體管；4月11日，他們在《自然》期刊上發表文章，描述了其研發的裝置。

平面與封裝：該原型處理器的功耗約為60微瓦，內含115個晶體管；其設計師希望該處理器能夠集成更多晶體管。

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該微晶元能夠執行用戶自定義的、存儲在外部存儲器中的程序，進行邏輯運算，並將數據傳輸到自己的外圍結構中。雖然這一原型技術只能傳輸一個比特的數據，但研究人員說在他們的設計中，該原型可以隨時擴展到多比特數據。同時他們也指出自己的發明成果可兼容現有的半導體製造工藝。

這一新型裝置由二硫化鉬薄膜製造而成，大體上就是一層鉬原子夾在兩層硫原子之間；且該薄膜厚度僅為0.6納米。相比之下，硅質微晶元的有源層厚度約為100納米。

「這些作者已經能夠使用厚度達到原子級的2D材料來構建如此複雜的電路系統；而該2D材料的研究只開始了5年，這一點是非常令人興奮的。」斯坦福大學電氣工程師埃里克?波普（Eric Pop，未參與此項研究）這樣說道。

那麼，二硫化鉬在摩爾定律方面又有怎樣的潛力呢？維也納工業大學的原型產品最小尺寸是2微米，使得該晶元看起來相當結實。然而，「把晶體管的管道長度做到200或100納米應該是相當簡單的。」穆勒如是說。同時，他也補充道，通過提高這些電路中電觸點的質量，最終應該可以實現1納米的2D晶體管。「如果使用硅元素，就無法達成實現這一願景，硅的極限是5納米左右。」穆勒如是說。

用二硫化鉬製造更複雜的微型晶元，是團隊在生產晶體管時遇到的主要麻煩。目前穆勒團隊的全功能晶元良率只有百分之幾。穆勒說，提高晶體管良率的一個方法是研發出更加均勻的二硫化鉬薄膜；但遺憾的是，這些薄膜在藍寶石基板上生長後，轉移至目標晶片時會突然出現各種瑕疵。目前，研究人員正在研究如何直接在目標晶片上生長二硫化鉬薄膜，以便省去這一轉移步驟。提高二硫化鉬薄膜的均勻度，「應該可以更加簡單地將2D電路的複雜度提升為集成數以萬計的晶體管」，穆勒如是說。

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該原型裝置的目標晶片是硅晶片，但研究人員認為，從理論上講，其幾乎可以在任何基底材料上製作。「如果電路可以在柔性基底上展示，執行那些硅電路無法實現的獨特功能，那將是未來的一項重要發展。」斯坦福大學的波普如是說。

要使2D微處理器也能夠像硅晶片那樣集成數億個晶體管，還必須做出另一項改變。穆勒說，工程師們必須能夠將那些用於該原型裝置中的n型晶體管設計轉化為今天常規微晶元上使用的能耗更低的互補金屬氧化物半導體（CMOS）設計。「這一轉變可能會需要用其他2D材料代替二硫化鉬，但備選材料有很多，比如二硒化鎢等。」他說。

維也納工業大學的研究人員說，在性能方面，該原型電路的總功率大約為60微瓦，運行頻率在2到20千赫茲之間。穆勒說：「誠然，我們研發的裝置還無法和當前的硅基微處理器分庭抗禮。這一裝置的問世只意味著我們朝著新一代電子裝置邁進了第一步。」

來自斯坦福大學的波普也同意這一評價。維也納工業大學研發的晶元，其場效應遷移率（電子流過晶體管的容易程度）與其他二硫化鉬薄膜相比，「至少比許多團隊（也包括我們團隊）已出版文獻的最新水平低一個數量級。」波普說，必須完善該遷移率，「遷移率低的二硫化鉬電路，其運轉速度會很慢，效率會很低。」

作者：Charles Q. Choi

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