硅材料长期以来一直是半导体技术的基石。通过对场效应晶体管（FET）不断缩小尺寸，电子器件实现了飞速发展。然而，随着硅器件逐渐逼近物理和工艺极限，其在速度和能效方面的进一步提升正变得愈发困难，因此，探索替代材料势在必行。在众多候选材料中，二维（2D）材料因其原子级厚度以及在亚纳米尺度下保持高迁移率，受到了广泛关注。尽管二维材料取得诸多突破，真正将其应用于主流电子领域仍面临严峻挑战，特别是在构建基于互补金属氧化物半导体（CMOS）技术的组合逻辑与时序逻辑电路方面。虽然利用二维材料已经实现了NMOS逻辑电路的构建，但完整的CMOS技术尚未成熟。

针对这一挑战，宾夕法尼亚州立大学Subir Ghosh，Saptarshi Das教授团队合作在“Nature”期刊上发表了题为“A complementary two-dimensional material-based one instruction set computer”的最新论文。该团队展示了一种二维CMOS单指令集计算机（OISC），其能够执行“反向减法与借位跳过”（RSSB）操作。该二维CMOS计算机包含基本的组合逻辑电路（如NAND、NOR、XOR和NOT门）、多路复用器（MUX）、时序电路（如D触发器）以及片上存储器（如六晶体管SRAM单元）。这些元件均基于通过金属有机化学气相沉积（MOCVD）方法制备的大面积n型MoS₂和p型WSe₂薄膜。

整个芯片集成了超过1000个基于MoS₂的NMOS器件和1000个基于WSe₂的PMOS器件，其中算术逻辑单元（ALU）与4个D触发器共计包含64个器件。通过缩短沟道长度、引入高介电常数栅介质以及优化器件后处理工艺，作者成功调控了n型和p型二维FET的阈值电压。这些进展有效降低了亚阈值漏电流，减少了静态功耗，使得二维CMOS电路可在3伏及以下的电压下工作。器件的操作频率最高达到25千赫，受限于寄生电容，同时功耗仅为皮瓦级，二维CMOS反相器的开关能耗低至约100皮焦。

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