新型柔性微處理器：由超薄二維材料二硫化鉬製成！

導讀

原子級厚度的超薄二維材料，不僅可以製造出微處理器，而且也將推進傳統微處理器的革新，使其廣泛應用於柔性電子領域。最近，奧地利維也納技術大學和歐盟石墨烯旗艦專案的科研人員在該領域取得了突破性進展，有望進一步推動物聯網、智慧硬體等應用領域的發展。

（圖片來源於： Stefan Wachter/維也納技術大學 ）

技術關鍵字

二維材料、微處理器、柔性電子

背景介紹

二維材料

前幾天，John 在《重磅：科學家利用二維奈米材料噴墨列印電晶體！》一文中，介紹了愛爾蘭科學家利用二維材料（石墨烯、二硒化鎢、氮化硼）噴墨列印電晶體的發明，同時也對二維材料進行了相關介紹，讓我們再次回顧一下：

「二維材料」是指電子僅可在兩個維度的非奈米尺度（1-100nm）上自由運動（平面運動）的材料，例如石墨烯、氮化硼、過渡族金屬化合物（二硫化鉬、二硫化鎢、二硒化鎢）、黑磷等等。

二維材料，一般由一層或者幾層原子組成，我們之前重點關注的石墨烯就是一種著名的二維材料。除此以外，和石墨烯類似的一些材料，例如過渡性金屬雙硫屬化合物也屬於二維材料，它們不僅尺寸小、輕薄、柔軟，最重要是具有優秀的半導體特性，十分適用於柔性電子裝置。

微處理器

（圖片來源於： Hermann Detz/維也納技術大學 ）

「微處理器」，是當代電子工業的核心器件。無論是智慧手錶、智慧手機、智慧家電等消費電子產品，還是超級計算機、汽車引擎控制、數控機床、導彈精確制導等都高精尖技術產品，都離不開微處理器的作用。

微處理器，一般由一片或幾片大規模積體電路組成，能讀取和執行指令，與外界儲存器和邏輯部件交換資料，是微型計算機的核心運算控制部分。

如今，微處理器製造所用的材料基本上全是矽。而矽材料的瓶頸如主要有以下兩方面：

效能瓶頸，正如我之前在《摩爾定律，是生存還是毀滅？》一文中所說，現在矽材料的半導體晶片，效能增速放緩，且接近物理極限。

不具有柔性，矽材料無法應用於柔性電子領域。

創新探索

（圖片來源於： Marco Furch/維也納技術大學 ）

維也納技術大學光子研究所的 Thomas Mueller 博士一直致力於二維材料的研究，他認為二維材料是未來製造微處理器和其它積體電路的理想候選材料。而二硫化鉬（MoS2），由鉬原子和硫原子組成，只有三個原子的厚度，就是這樣一種二維材料。

所以，他領導維也納技術大學的科研團隊和歐盟石墨烯旗艦專案的科研人員合作，製造出了一種由二維材料「二硫化鉬」MoS2 組成的電晶體。115個這樣的電晶體構成了一種新型微處理器。目前，這種微處理器能夠進行一位元的邏輯運算，而未來有望拓展至多位元運算。

關鍵技術

微處理器架構

（圖片來源於： 參考資料【2】）

圖解：

（a） 框圖顯示：A和B兩個輸入的算術邏輯單元（ALU），累加器（AC），控制單元（CU），指令暫存器（IR），輸出暫存器（OR）和程式計數器（PC）。由CU提供給各個子單元的使能訊號（EA和EO）和操作選擇程式碼（A/O）。時鐘訊號發生器和儲存器於晶片外實現。

（b） N次指令迴圈的時序圖。在獲取指令的序列中，記憶體的內容載入到 IR，並且儲存在PC中的地址加增加。在指令執行的序列中，儲存在IR中的命令得以執行。

（c） 微處理器的指令集：NOP是非操作指令；LDA指令將資料從記憶體傳輸到AC；AND和OR指令執行邏輯運算。

MoS2電晶體和反相器的特性描述

（圖片來源於： 參考資料【2】）

圖解：

（a） 使用前柵極技術的反相電路（頂部）和單個MoS2電晶體（底部）示意圖

（b） 載入（W/L=45/2）和下拉 （W/L=7/5）電晶體的轉換特性

（c） 柵壓在1V和5V之間的輸出特性

（d） NMOS反相器電路原理圖

（e） 在給定輸入電壓VIN的條件下，反相器的輸出電壓VOUT圖解。藍色符號代表負載曲線，紅色線是下拉電晶體的輸出特性。兩條曲線的交叉點決定了VOUT。

（f） 實線代表反相器測量到的電壓轉移特性。透過映象曲線（虛線），得到一種蝴蝶般的影象，從中NM可以透過嵌入灰色陰影區域的最大正方形提取出。

二維半導體裝置的實現

（圖片來源於： 參考資料【2】）

圖解：

（a）微處理器的微觀影象。兩層金屬以不同的顏色呈現，透過通路孔連線。所有的子單元都具有用於測試的金屬測試焊盤。標記的焊盤用於連線裝置和外部器件（儲存器、時鐘發生器、電源、輸出），其它部分由線結合到一起實現內部連線。比例尺50微米。（b） D-Latch 和 （c） ALU 電路原理圖

器件操作

（圖片來源於： 參考資料【2】）

圖解：

（a） 透過執行示例程式，在晶片上測量到的波形。CLK1， CLK2、CKL3訊號由晶片外部產生。每個指令需要三個時鐘週期，1/TCLK是時鐘頻率。CLK2脈衝足夠短以觸發靈敏的PC輸入，可以避免使用更加複雜的主從設計。A0是PC提供的地址。OP0， OP1 和 D0 表示來自儲存器的訊號，前兩個是指令，後一個是資料。A和B是ALU的輸入訊號，OUT是輸出訊號。TCLK=500ms。

（b） 一些列計算的結果。為了執行更長的程式，在外部又實現了一個4位元的PC。曲線的含義和a中相同，除了這裡A0代表4位元的地址訊號（A0-A3）。另外，這個裝置可以提供預期的數值，如同頂部的數字所示。

創新價值

目前為止，MoS2微處理器是由二維材料製成的最先進的電路之一。當然，John之前也介紹過《半導體領域革命性突破：史上最小的1奈米電晶體誕生》，這個電晶體中也使用了二硫化鉬材料。

執行簡單程式的測試表明，該微處理器具有優秀的訊號質量，和較低的功耗，並且獲取正確的運算結果。

這種超薄的MoS2 電晶體尺寸很小，而且具有柔性，有利於製造成柔性電子裝置，例如可穿戴裝置和智慧硬體等等，廣泛應用於物聯網領域。

對此，Thomas Mueller 博士認為：

“總體來說，成為一種柔材料將會帶來新型應用。其中一個可能是將這些處理器電路和由MoS2 製成的光線發射器相結合，從而製造出柔性顯示裝置和電子紙張，或者將它們整合進智慧感測器的邏輯電路中。”

面臨挑戰

現代的微處理器，一般由矽製成，它們在單顆晶片上具有幾百萬個電晶體，所以說這種由MoS2 製成的只有115個電晶體的裝置，顯得十分簡單。但是，Mueller 博士研究小組中的博士研究生 Stefan Wachter 認為：

“儘管，這和目前基於矽的工業標準相比來說，顯得很遜色。但是它成為這個領域研究中的一項重要突破。現在我們已經有了概念驗證，原則上，沒有理由看不到未來的進展。”

這個晶片只是展示了這項新技術的早期成果，我們可以相信未來它會具有更大的成果。對於團隊下一步的計劃，Mueller 解釋說：

“我們的目標是實現更大的電路，可以利用有用的操作完成更多的任務。我們想要在更小尺寸的單個晶片上，完成完整的八位元設計，或者更多的位元。”

但是由於設計和製造，這個目標將面臨挑戰，所以Stefan Wachter 說：

“增加更多的位元，當然會使得每件事都會變得更加複雜。例如，增加僅僅一個位元，就會將電路的複雜性增加兩倍。”

未來展望

二維材料例如二硫化鉬，雖然有望成為矽的替代品。但是，對於製造更加複雜的電路來說，這些電路需要幾千甚至幾百萬個電晶體，暫時還無法依靠這項新技術。

畢竟，生產二維材料以及進一步處理二維材料的工藝，目前仍然處於初級階段。所以，目前它只是一種對於矽半導體技術的補充性技術。

對此，Mueller博士解釋道：

“我們的電路或多或少是在實驗室中用手工做成的，這樣複雜的設計顯然超出了我們的能力範圍。每個電晶體必須按照計劃執行，以使得處理器能夠作為一個整體來工作。”

另外，未來提高多級設計工藝，將是開發 MoS2 微處理器的高產量生產方案的重要一步。因為在所有因素中，傳輸大區域、雙層MoS2到晶圓上，會帶來很高的失敗率。所以，維也納技術大學的Dmitry Polyushkin 認為：

“我們的方案在於將工藝提高到一個點，我們可以通過幾萬個電晶體，可靠地生產晶片。例如，直接在晶片上生長，這將會避免轉移過程。這樣可以帶來更高的產量，讓我們可以生產更加複雜的電路。”

研究人員認為，未來幾年，這項技術將會有各種各樣新的工業應用，柔性電子便是一個例子，例如醫療感測器和柔性顯示器。因為，二維材料相比於傳統的矽材料，具有更強的機械柔性。

參考資料

【1】http：//www。tuwien。ac。at/en/news/news_detail/article/124895/

【2】Stefan Wachter， Dmitry K。 Polyushkin， Ole Bethge， Thomas MuellerA microprocessor based on a two-dimensional semiconductor。 Nature Communications | DOI： 10。1038/NCOMMS14948

【3】https：//graphene-flagship。eu/flexible-microprocessors