半導體材料是電子信息產業(yè)的基石。目前，隨著晶體管特征尺寸的縮小，由于短溝道效應等物理規(guī)律和制造成本的限制，主流硅基材料與CMOS（互補金屬氧化物半導體）技術正發(fā)展到10納米工藝節(jié)點而很難提升，摩爾定律可能終結。
因此，開發(fā)新型高性能半導體溝道材料和新原理晶體管技術，是科學界和產業(yè)界近20年來的主流研究方向之一。在眾多CMOS溝道材料體系中，相比于一維納米線和碳納米管，高遷移率二維半導體的器件加工與傳統微電子工藝兼容更好，同時其超薄平面結構可有效抑制短溝道效應，被認為是構筑后硅時代納電子器件和數字集成電路的理想溝道材料。
然而，現有二維材料體系（石墨烯、拓撲絕緣體、過渡金屬硫族化合物、黑磷等）無法同時滿足超高遷移率、合適帶隙、環(huán)境穩(wěn)定和可批量制備的現實要求，開發(fā)符合要求的高性能二維半導體新材料體系迫在眉睫。
新型穩(wěn)定的超高遷移率二維半導體材料BOX及晶體管示意圖
近日，北京大學化學與分子工程學院彭海琳教授課題組與合作者首次發(fā)現一類同時具有超高電子遷移率、合適帶隙、環(huán)境穩(wěn)定和可批量制備特點的全新二維半導體（硒氧化鉍，Bi2O2Se），在場效應晶體管器件和量子輸運方面展現出優(yōu)異性能。
彭海琳課題組基于前期對拓撲絕緣體（Bi2Se3，Bi2Te3）等二維量子材料的系統研究，提出用輕元素部分取代拓撲絕緣體中的重元素，以降低重元素的自旋－軌道耦合等相對論效應，進而調控其能帶結構，消除金屬性拓撲表面態(tài)，獲得高遷移率二維半導體。
經過材料的理論設計和數年的實驗探索，該課題組發(fā)現了一類全新的超高遷移率半導體型層狀氧化物材料Bi2O2Se，并利用化學氣相沉積（CVD）法制備了高穩(wěn)定性的二維Bi2O2Se晶體。基于理論計算和電學輸運實驗測量，證明Bi2O2Se材料具有合適帶隙（～0．8eV）、極小的電子有效質量（～0．14m0）和超高的電子遷移率。
系統的輸運測量表明：CVD制備的Bi2O2Se二維晶體在未封裝時的低溫霍爾遷移率可高于20000cm2／V·s，展示了顯著的SdH量子振蕩行為；標準的Bi2O2Se頂柵場效應晶體管展現了很高的室溫表觀場效應遷移率（～2000cm2／V·s）和霍爾遷移率（～450 cm2／V·s）、很大的電流開關比（＞106）以及理想的器件亞閾值擺幅（～65mV／dec）。
二維Bi2O2Se這些優(yōu)異性能和綜合指標已經超過了已有的一維和二維材料體系。Bi2O2Se這種高遷移率半導體特性還可能拓展到其他鉍氧硫族材料（BOX：Bi2O2S、Bi2O2Se、Bi2O2Te）。結合其出色的環(huán)境穩(wěn)定性和易于規(guī)模制備的特點，超高遷移率二維半導體BOX材料體系在構筑超高速和低功耗電子器件方面具有獨特優(yōu)勢，有望解決摩爾定律進一步向前發(fā)展的瓶頸問題，給微納電子器件帶來新的技術變革，具有重要的基礎科學意義和實際應用價值。
首先，因為可以使用相同的軟件開發(fā)視覺系統和運動系統，設計者不需要熟悉多種編程語言或環(huán)境，因此降低了開發(fā)復雜性。第二，消除了以太網網絡上的潛在性能瓶頸，因為現在數據僅在單個應用中的環(huán)路之間傳遞，而不是在物理層之間傳遞。
這使得整個系統的運行具有確定性，因為一切共享相同的過程。當將視覺直接引入控制回路中時，例如在視覺伺服應用中，這是特別有價值的。這里，視覺系統在運動期間連續(xù)捕獲致動器和目標零件的圖像，直到運動完成。這些捕獲的圖像用于提供關于運動成功的反饋。有了這一反饋，設計人員可以提高現有自動化的精度和精密度，而無需升級到高性能運動硬件。
現在提出了一個問題：這個系統是什么樣子？如果設計人員將要使用能滿足機器視覺系統所需的計算和控制需求的系統，并要與其他系統（如運動控制、HMI和I／O）無縫連接，那么他們需要使用具備所需性能的硬件架構，以及每個這些系統所需的智能和控制能力。
這種系統的一個很好的選擇是：使用將處理器和FPGA與I／O相結合的異構處理架構。已經有很多行業(yè)投資這種架構，包括美國Xilinx公司的Zynq全可編程SoC（將ARM處理器與Xilinx 7系列FPGA架構相結合），以及英特爾數十億美元收購Altera等。
對于視覺系統，使用FPGA特別有益，這主要是因為其固有的并行性。算法可以分開，運行數千種不同的方式，并且可以保持完全獨立。另外，這種架構的好處不僅僅體現在視覺方面，其對運動控制系統和I／O也大有裨益。處理器和FPGA可用于執(zhí)行高級處理、計算和制定決策。設計人員幾乎可以通過模擬和數字I／O、工業(yè)協議、定制協議、傳感器、致動器和繼電器等，連接到任何總線上的任何傳感器。此架構還滿足了其他要求，如時序和同步以及業(yè)務挑戰(zhàn)（如提高生產率）。每個人都希望更快地開發(fā)產品，這種架構消除了對大型專業(yè)設計團隊的需要。
不幸的是，雖然這種架構提供了很多性能和可擴展性，但是實現它的傳統方法需要專業(yè)知識，特別是在使用FPGA時。這為設計者帶來了巨大風險，并有可能導致使用該架構不切實際甚至不可能。然而，使用集成軟件（如NI LabVIEW），設計人員可以通過提取低級復雜性，并將所需的所有技術集成到單一開發(fā)環(huán)境中，來提高生產率，降低風險。
理論是一回事，將其付諸實踐是另一回事。Master Machinery是臺灣一家生產半導體加工設備的公司（見圖4）。這種特定的設備使用機器視覺、運動控制和工業(yè)I／O的組合，將芯片從硅晶片上取下并封裝。這是能使用圖1中的分布式架構的機器示例，每個子系統可以單獨開發(fā)，然后通過網絡集成在一起。
圖4：使用中央集權的、以軟件為中心的方法，Master Machinery公司將其主機控制器、機器視覺和運動系統、I／O和HMI全部集成到單個控制器中，性能是競爭對手的10倍。
行業(yè)內這種機器每小時的產量大約為2000個零件。但是Master Machinery公司采取了不同的方法。他們設計了中央集權的、以軟件為中心的架構，并將主機控制器、機器視覺和運動系統、I／O和HMI全部集成到單獨的控制器中，所有都采用LabVIEW編程。除了不需要單個子系統實現成本節(jié)約之外，這種方法還具備性能優(yōu)勢，其每小時大約能生產20000個零件，是競爭產品的10倍。
Master Machinery公司成功的關鍵因素之一是能夠將多個子系統組合在單個軟件堆棧中，特別是機器視覺和運動控制系統。使用這種統一的方法，Master Machinery公司不但簡化了設計機器視覺系統的方式，而且還簡化了如何設計整個系統。
機器視覺是一項復雜的任務，需要大量的處理能力。隨著摩爾定律繼續(xù)增加處理元件（如CPU、GPU和FPGA）的性能，設計人員可以使用這些組件來開發(fā)高度復雜的算法。設計人員還可以使用此技術來提高設計中其他組件的設計性能，特別是在運動控制和I／O領域。
隨著所有這些子系統性能的提高，用于開發(fā)這些機器的傳統分布式架構將面臨壓力。將這些任務整合到單個控制器中，運行在單個軟件環(huán)境下，消除了設計過程中的瓶頸，使設計人員可以專注于創(chuàng)新，而不必擔心實施問題。