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科学家在工业硅晶圆上培育完美的原子薄材料

易姣豪
导读 根据摩尔定律,自 1960 年代以来,微芯片上的晶体管数量每年翻一番。但预计这一轨迹很快就会趋于平稳,因为一旦由这种材料制成的器件低于

根据摩尔定律,自 1960 年代以来,微芯片上的晶体管数量每年翻一番。但预计这一轨迹很快就会趋于平稳,因为一旦由这种材料制成的器件低于一定尺寸,硅 - 现代晶体管的支柱 - 就会失去其电性能。

输入 2D 材料 - 精致的二维完美晶体片,薄如单个原子。在纳米尺度上,2D材料可以比硅更有效地传导电子。因此,对下一代晶体管材料的搜索一直集中在2D材料上,将其作为硅的潜在继承者。

但在电子行业过渡到2D材料之前,科学家们必须首先找到一种方法,在行业标准的硅晶圆上设计材料,同时保持其完美的晶体形式。麻省理工学院的工程师现在可能有一个解决方案。

该团队开发了一种方法,可以使芯片制造商通过在现有的硅和其他材料晶圆上生长2D材料来制造更小的晶体管。新方法是一种“非外延,单晶生长”的形式,该团队首次将其用于将纯净,无缺陷的2D材料生长到工业硅晶片上。

通过他们的方法,该团队用一种称为过渡金属硫族化合物(TMD)的2D材料制造了一个简单的功能晶体管,已知其在纳米尺度上比硅导电更好。

“我们希望我们的技术能够开发基于2D半导体的高性能下一代电子设备,”麻省理工学院机械工程副教授Jeehwan Kim说。“我们已经解锁了一种使用2D材料赶上摩尔定律的方法。

Kim和他的同事在《自然》杂志上发表的一篇论文中详细介绍了他们的方法。该研究的麻省理工学院合著者包括Ki Seok Kim,Doyoon Lee,Celesta Chang,Seunghwan Seo,Hyunseok Kim,Jiho Shin,Sangho Lee,Jun Min Suh和Bo-In Park,以及德克萨斯大学达拉斯分校,加州大学河滨分校,圣路易斯华盛顿大学和韩国各地机构的合作者。

水晶拼凑

为了生产2D材料,研究人员通常采用手动过程,通过该过程,从散装材料中小心地剥离原子薄片,例如剥掉洋葱层。

但大多数散装材料是多晶的,包含多个以随机方向生长的晶体。当一个晶体与另一个晶体相遇时,“晶界”充当电屏障。当遇到不同方向的晶体时,流过一个晶体的任何电子都会突然停止,从而抑制材料的导电性。即使在去除2D薄片后,研究人员也必须在薄片中搜索“单晶”区域 - 这是一个繁琐且耗时的过程,难以在工业规模上应用。

最近,研究人员发现了制造2D材料的其他方法,方法是将它们生长在蓝宝石晶片上,蓝宝石是一种具有六边形原子图案的材料,鼓励2D材料以相同的单晶方向组装。

“但是没有人在存储器或逻辑行业中使用蓝宝石,”Kim说。“所有的基础设施都基于硅。对于半导体加工,你需要使用硅晶圆。

然而,硅晶片缺乏蓝宝石的六角形支撑支架。当研究人员试图在硅上生长2D材料时,结果是晶体的随机拼凑,这些晶体随意合并,形成许多阻碍导电性的晶界。

“人们认为在硅上生长单晶2D材料几乎是不可能的,”Kim说。“现在我们证明你可以。而我们的诀窍是防止晶界的形成。

种子袋

该团队新的“非外延,单晶生长”不需要剥离和搜索2D材料的薄片。相反,研究人员使用传统的气相沉积方法将原子泵送过硅晶片。原子最终沉淀在晶片上并成核,生长成二维晶体取向。如果放任不管,每个“原子核”或晶体的种子将在硅晶片上以随机方向生长。但是Kim和他的同事们找到了一种方法来对齐每个生长的晶体,以在整个晶圆上创建单晶区域。

为此,他们首先在“掩模”中覆盖硅晶片 - 一种二氧化硅涂层,他们将其图案化成微小的口袋,每个口袋都旨在捕获晶体种子。然后,它们穿过掩蔽的晶圆,将原子气体流入每个口袋,形成2D材料 - 在这种情况下,TMD。掩模的口袋将原子圈起来,并鼓励它们以相同的单晶方向组装在硅晶片上。

“这是一个非常令人震惊的结果,”Kim说,“即使2D材料和硅晶片之间没有外延关系,你到处都有单晶生长。

通过他们的掩蔽方法,该团队制造了一个简单的TMD晶体管,并表明其电气性能与相同材料的纯薄片一样好。

他们还应用该方法来设计多层设备。在用图案掩模覆盖硅晶片后,他们生长了一种类型的2D材料来填充每个正方形的一半,然后在第一层上生长第二种类型的2D材料以填充其余的正方形。结果是每个正方形内都有一个超薄的单晶双层结构。Kim说,展望未来,多种2D材料可以以这种方式生长并堆叠在一起,以制造超薄,柔性和多功能薄膜。

“到目前为止,还没有办法在硅晶圆上制造单晶形式的2D材料,因此整个社区几乎放弃了为下一代处理器追求2D材料,”Kim说。“现在我们已经完全解决了这个问题,用一种方法制造出小于几纳米的设备。这将改变摩尔定律的范式。