基于二维材料互补集成的单指令集计算机：突破硅基CMOS技术限制的新范式

时间：2025年6月12日

来源：Nature

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来自前沿半导体领域的研究人员通过异质集成大面积n型二硫化钼(MoS2 )和p型二硒化钨(WSe2 )场效应晶体管(FET)，成功构建了首个基于二维(2D)材料的互补金属氧化物半导体(CMOS)单指令集计算机。该研究通过优化高介电常数(high-κ)栅介质和阈值电压调控，实现了3V以下工作电压、25kHz运行频率及皮瓦级超低功耗，为后摩尔时代半导体技术发展提供了创新解决方案。

在半导体技术面临硅基微缩极限的背景下，原子级厚度的二维(2D)材料凭借其超高载流子迁移率崭露头角。研究者们巧妙玩转材料"积木"，将n型MoS₂
和p型WSe₂
这两种特性互补的二维半导体进行异质集成，像搭乐高般构建出全二维材料的互补金属氧化物半导体(CMOS)电路。通过引入高介电常数(high-κ)栅介质这位"性能助推器"，并精细调控晶体管的阈值电压，团队成功驯服了二维材料器件中的漏电流"野兽"。最终诞生的单指令集计算机展现出令人惊艳的"节能体质"——仅需3伏特电压就能欢快奔跑，最高时钟频率达到25千赫兹，每次开关动作仅消耗约100皮焦耳的能量，相当于硅基芯片能耗的百分之一。这项突破为打造未来可穿戴设备和植入式医疗电子所需的超低功耗芯片提供了全新可能。