清華新聞網(wǎng)3月5日電 近日，清華大學(xué)集成電路學(xué)院田禾副教授團(tuán)隊(duì)和任天令教授等合作提出一種面向代工廠(chǎng)的二維芯片算法驅(qū)動(dòng)的自適應(yīng)優(yōu)化制造策略，并基于此制備了基于二維材料的全互連微處理器。
圖1.面向代工廠(chǎng)策略與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室制備工藝在芯片制造流程上的對(duì)比
硅場(chǎng)效應(yīng)晶體管（FET）的特征尺寸正逼近其物理極限，而二維（2D）材料憑借其超大比表面積、高強(qiáng)度和高遷移率等特性，有望用于構(gòu)建具備高集成度和多功能特征的更小器件。特別是過(guò)渡金屬硫族化合物（TMDs）具有獨(dú)特的晶體和能帶結(jié)構(gòu)，由此衍生出優(yōu)異的物理性質(zhì)：首先，其表面具有原子級(jí)平整度且無(wú)懸掛鍵，在作為晶體管導(dǎo)電溝道時(shí)能有效避免載流子聲子散射導(dǎo)致的性能退化；其次，其厚度不足1納米，極具器件微縮潛力，并能克服極端尺寸下的短溝道效應(yīng)（SCEs）。
自基于二硫化鉬（MoS2）晶體管實(shí)現(xiàn)反相器、與非門(mén)、靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器和五級(jí)環(huán)形振蕩器以來(lái)，基于TMDs的電路已發(fā)展至包含數(shù)百個(gè)邏輯門(mén)的大規(guī)模演示，并涵蓋了電流源、放大器、觸發(fā)器和加法器等多種功能應(yīng)用。這些器件通常采用轉(zhuǎn)移法制備，使二維材料能兼容傳統(tǒng)硅基工藝并應(yīng)用于多層堆疊異質(zhì)結(jié)構(gòu)及柔性基底等不同場(chǎng)景。然而，基于轉(zhuǎn)移的二維材料的大規(guī)模電路構(gòu)建方面仍具挑戰(zhàn)：與體材料的制造不同，單原子層溝道在材料轉(zhuǎn)移、柵介質(zhì)沉積和接觸金屬加工過(guò)程中極易退化，導(dǎo)致由此組成的大規(guī)模電路中多級(jí)信號(hào)傳輸后出現(xiàn)輸出錯(cuò)誤，降低芯片良率。
研究報(bào)告了一種專(zhuān)為二維材料電路定制的垂直整合制造（IDM）策略，該方法通過(guò)對(duì)電路設(shè)計(jì)、版圖設(shè)計(jì)、二維材料生長(zhǎng)與轉(zhuǎn)移、器件加工及芯片測(cè)試的六個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行迭代優(yōu)化，成功制造了全互連的二維處理器，并可拓展至不同功能、不同規(guī)模的二維電路中。通過(guò)持續(xù)優(yōu)化單晶體管性能和模塊良率，并整合材料、工藝與測(cè)試流程，本方法有效規(guī)避了常見(jiàn)的器件失效和均一性差等問(wèn)題（圖1）。在材料生長(zhǎng)方面，本項(xiàng)目合作團(tuán)隊(duì)四川大學(xué)實(shí)現(xiàn)了從2英寸至4英寸二硫化鉬（MoS2）材料的連續(xù)生長(zhǎng)，薄膜在全域范圍內(nèi)保持了高度的均勻性與極佳的覆蓋率（圖2）。在單器件制造方面，研究團(tuán)隊(duì)實(shí)施了算法驅(qū)動(dòng)的自適應(yīng)優(yōu)化方法，通過(guò)動(dòng)態(tài)調(diào)整器件參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了從晶體管的導(dǎo)通電流、開(kāi)關(guān)比和亞閾值擺幅的全面提升，并實(shí)現(xiàn)了較高的平均反相器增益（圖3）。在電路模塊優(yōu)化方面，基于全二維晶體管的算術(shù)邏輯單元（ALU）、控制單元（CU）及D鎖存器良率分別達(dá)到96.5%、79.5%和61.5%。與Intel 4004和8008等第一代硅基中央處理器（CPU）相比，研究中的二硫化鉬（MoS2）芯片展現(xiàn)出更低的歸一化功耗、更佳的多材料系統(tǒng)兼容性以及更高的集成潛力（圖4）。
圖2. 晶圓級(jí)單層二硫化鉬（MoS2）生長(zhǎng)優(yōu)化及其表征
圖3.基于轉(zhuǎn)移法的二硫化鉬（MoS2）晶體管電學(xué)特性統(tǒng)計(jì)分析及反相器性能
圖4.基于二硫化鉬（MoS2）的全連接的中央處理器（CPU）及其與不同材料、規(guī)模的電路的對(duì)比
研究成果以“一種面向代工廠(chǎng)的二維全互連微處理器制造策略”（A towards-foundry strategy for creating fully interconnected two-dimensional microprocessors）為題，于2月26日在線(xiàn)發(fā)表于《自然·電子》（Nature Electronics）。
清華大學(xué)集成電路學(xué)院2024級(jí)博士生郭藝喆、2025級(jí)博士生張培根、2021級(jí)博士生劉晏銘、2024級(jí)碩士生劉志遠(yuǎn)、2022級(jí)博士生劉安晗和四川大學(xué)2025級(jí)博士生劉錦繡為論文共同第一作者，清華大學(xué)集成電路學(xué)院副教授田禾、教授任天令和四川大學(xué)教授王澤高為論文共同通訊作者。
研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金委、北京市自然科學(xué)基金委、北京市自然科學(xué)基金-小米創(chuàng)新聯(lián)合基金、清華-福州數(shù)據(jù)技術(shù)聯(lián)合研究院、清華大學(xué)微納加工中心、四川省科技計(jì)劃項(xiàng)目和四川大學(xué)“雙高計(jì)劃”等的支持。
論文鏈接：
Https://doi.org/10.1038/s41928-026-01573-9
供稿：集成電路學(xué)院
編輯：李華山
審核：郭玲
