【复材信息】二维材料，Nature！

选题背景

二维材料是一种原子层厚度的晶体材料。由于其独特的电子结构和优异的载流子迁移率，广泛应用于新一代微电子设备、逻辑电路、传感器和柔性电子领域。

与传统的硅基半导体材料相比，二维材料具有更好的厚度可控性、更低的短沟道效应和更强的异质集成能力，因此在设备微型化和低功耗领域具有巨大的潜力。然而，二维材料仍然面临许多问题，包括大规模可控制设备、n型和p型设备的协同优化以及低功耗CMOS电路的集成，这已经成为制约其广泛应用的重要挑战。

针对这一挑战，宾夕法尼亚州立大学Subir Ghosh，Saptarshi “Das教授团队在”Nature《期刊》发表了题为“A complementary two-dimensional material-based one instruction set computer"最新论文。该团队基于金属有机化学气相沉积（MOCVD）方法，制备了大面积的n型MoS₂以及p型WSe₂该薄膜是世界上第一个二维CMOS单指令集计算机。（OISC），可以实现反向减法和借位绕过（RSSB）操作。该系统集成了2000多个场效应晶体管，包括基本逻辑门、多路选择器、D型触发器和六晶体管静态随机存取存储器。（SRAM）等待关键模块。团队通过缩短沟道长度、引入高介电常数网格介质、优化设备后处理工艺，完成了对设备阈值电压的精确调节，显著降低了亚阀值漏电流和静态功耗。

最终，二维CMOS电路在3伏以下实现稳定运行，最高频率达25千赫，开关能耗低至100皮焦，功耗达到皮瓦量级。该研究还建立了SPICE紧凑型模型，包括设备之间的差异，用于评估设备和电路的性能，并与现有的硅基技术进行标准比较。这一结果是二维材料在微电子应用中的重要里程碑。

研究亮点

(1)CMOS单指令集计算机集成首次基于大规模二维材料进行测试。（OISC），完成了复杂的集成电路系统，包括算术逻辑单元、触发器、多路复用器、逻辑门和电影上的存储器，获得了可执行的“反向减法和借位绕过”（RSSB）操纵二维CMOS计算机。

通过以下措施，实验获得了一系列关键性能指标和系统集成成果：

使用MOCVD方法各自生成大规模的N型MoS₂和p型WSe一起₂薄膜，作为CMOS所需的n型和p型FET基础材料；

N型和p型晶体管的阈值电压通过缩短沟道长度、引入高介电常数网格介质、提高设备后处理等方式得到有效调节，显著抑制了亚阀值漏电流；

建立一个系统集成芯片，包括1000多个NMOS和PMOS晶体管，可靠运行在3V以下；

该设备达到最高工作频率25kHz(受寄生电容)，功耗降至皮瓦量级，开关能耗降至约100皮焦；

建立了基于BSIM-BULK模型的SPICE适配紧凑型模型，结合测试数据对设备性能和系统级性能进行预测和模拟，并与目前先进的硅技术进行了标准比较。

图文解读

图1:大型n型和p型2D 表征FET。

图2:2D-CMOS组合及时序电路。

图3:速度，静态功耗，能耗，2D-CMOS反相器。

图4:2D-CMOS 仅指令集计算机one instruction set computer，OISC。

图5:2D-CMOS OISC架构和操作。

结论展望

总而言之，本文提出了一种非硅基CMOS单指令集计算机。（OISC），N型MoS通过异质集成₂以及p型WSe₂晶体管，完成反向减法和借位绕过。（RSSB）操作。作者实现了高驱动电流、低亚阀值漏电流和低静态功耗，通过优化材料生长、设备后处理、沟道长度缩放和引入高介电常数栅介质，使二维CMOS电路能够在低于3伏的电压下工作，最高频率达到25千赫。

作者的二维CMOS计算机集成了1000多个NMOS和1000个PMOS设备，包括基本的组合逻辑电路和时序电路，以及SRAM存储单元。虽然寄生电容器限制了开关的能耗和信号传播的延迟，但大量SPICE模拟预测基于试验校正的行业标准紧凑型模型，清晰地展示了二维CMOS的巨大潜力。二维CMOS单指令集计算机有望达到与硅技术竞争的性能水平，伴随着设备间差异的进一步减少，以及材料、尺寸缩放和界面工程的不断进步。这项研究意味着利用二维材料实现大规模CMOS集成电路的重要里程碑，为未来相关研究和先进计算应用奠定了基础。

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