二维材料，Nature！

米测MeLab

2025-06-16

研究背景

二维材料是一类原子层厚度的晶体材料，因其独特的电子结构和优异的载流子迁移率，被广泛应用于新一代微电子器件、逻辑电路、传感器和柔性电子等领域。

与传统的硅基半导体材料相比，二维材料具有更高的厚度可控性、更低的短沟道效应和更强的异质集成能力，因而在器件小型化和低功耗领域展现出巨大潜力。然而，二维材料在大规模可控制备、n型与p型器件的协同优化、以及低功耗CMOS电路的集成方面仍面临诸多难题，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”期刊上发表了题为“A complementary two-dimensional material-based one instruction set computer”的最新论文。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和p型WSe₂薄膜，并构建了全球首个二维CMOS单指令集计算机（OISC），可实现反向减法与借位跳过（RSSB）操作。该系统集成了超过2000个场效应晶体管，涵盖基本逻辑门、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）等核心模块。通过缩短沟道长度、引入高介电常数栅介质和优化器件后处理工艺，团队实现了对器件阈值电压的精准调控，显著降低了亚阈值漏电流与静态功耗。

最终，二维CMOS电路在3伏以下实现稳定运行，最高频率达到25千赫，开关能耗低至约100皮焦，功耗达到皮瓦量级。该研究还建立了包含器件间差异的SPICE紧凑模型，用以评估器件与电路性能，并与现有硅基技术进行基准对比。该成果标志着二维材料在微电子应用中的重要里程碑。

研究亮点

（1）实验首次基于大面积二维材料构建了CMOS单指令集计算机（OISC），实现了包括算术逻辑单元、触发器、多路复用器、逻辑门以及片上存储器在内的复杂集成电路系统，得到了可执行“反向减法与借位跳过（RSSB）”操作的二维CMOS计算机。

（2）实验通过以下方法，获得了一系列关键性能指标与系统集成成果：

• 利用MOCVD方法分别合成大面积n型MoS₂与p型WSe₂薄膜，作为CMOS所需的n型与p型FET基础材料；

• 通过沟道长度缩短、高介电常数栅介质引入以及器件后处理优化，有效调控了n型和p型晶体管的阈值电压，显著抑制了亚阈值漏电流；

• 构建了包含超千个NMOS和PMOS晶体管的系统集成芯片，在3V或以下实现了可靠运作；

• 器件达到了最高25kHz的工作频率（受限于寄生电容），功耗降至皮瓦量级，开关能耗低至约100皮焦；

• 建立了基于BSIM-BULK模型的SPICE兼容紧凑模型，结合实验数据进行了器件性能预测与系统级性能仿真，并与当前先进硅技术进行了基准对比。

图文解读

图1:大规模n型和p型2D FET表征。

图2:2D-CMOS组合和时序电路。

图3:2D-CMOS反相器的速度、静态功耗和能耗。

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

图5:2D-CMOS OISC架构和操作。

结论展望

总结来说，本文提出了一种非硅基CMOS单指令集计算机（OISC），通过异质集成n型MoS₂和p型WSe₂晶体管，实现了反向减法与借位跳过（RSSB）操作。通过优化材料生长、器件后处理、沟道长度缩放以及引入高介电常数栅介质，作者实现了高驱动电流、低亚阈值漏电流和低静态功耗，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计算机包含基础的组合逻辑电路和时序电路，以及SRAM存储单元，集成了超过1000个NMOS和1000个PMOS器件。尽管寄生电容限制了开关能耗和信号传播延迟，但基于实验校准的行业标准紧凑模型进行的大量SPICE仿真预测，清晰展现了二维CMOS的巨大潜力。随着器件间差异性的进一步降低，以及材料、尺寸缩放和界面工程的持续进步，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。本研究标志着利用二维材料实现大面积CMOS集成电路的重大里程碑，为未来相关研究和先进计算应用奠定了基础。

原文详情：

Ghosh, S., Zheng, Y., Rafiq, M. et al. A complementary two-dimensional material-based one instruction set computer. Nature 642, 327–335 (2025). 

https://doi.org/10.1038/s41586-025-08963-7