2023-01-30 09:02:50
根據(jù)摩爾定律，自 1960 年代以來，微芯片上的晶體管數(shù)量每年都翻一番。但預計這一軌跡很快就會趨于平穩(wěn)，因為一旦用這種材料制成的設(shè)備尺寸下降到一定尺寸以下，硅——現(xiàn)代晶體管的支柱——就會失去其電氣特性。
這就推動我們進入二維材料世界——精致的二維完美晶體片，薄如單個原子。在納米尺度上，二維材料可以比硅更有效地傳導電子。因此，尋找下一代晶體管材料的重點是將 2D 材料作為硅的潛在替代品。
但在電子行業(yè)過渡到二維材料之前，科學家們必須首先找到一種方法，在符合行業(yè)標準的硅晶圓上設(shè)計材料，同時保持其完美的晶體形態(tài)。麻省理工學院的工程師現(xiàn)在可能有了解決方案。
該團隊開發(fā)了一種方法，可以讓芯片制造商通過在現(xiàn)有的硅晶圓和其他材料上生長，用二維材料制造體積越來越小的晶體管。這種新方法是一種“非外延、單晶生長”的形式，該團隊首次使用這種方法在工業(yè)硅晶圓上生長純凈、無缺陷的二維材料。
通過他們的方法，該團隊用一種稱為過渡金屬二硫化物或 TMD 的二維材料制造了一個簡單的功能晶體管，眾所周知，這種材料在納米尺度上的導電性能優(yōu)于硅。
麻省理工學院機械工程副教授 Jeehwan Kim 表示：“我們希望我們的技術(shù)能夠推動基于二維半導體的高性能下一代電子設(shè)備的開發(fā)。” “我們已經(jīng)解鎖了一種使用 2D 材料趕上摩爾定律的方法。”
Kim 和他的同事在發(fā)表在《自然》雜志上的一篇論文中詳細介紹了他們的方法。該研究的麻省理工學院合著者包括 Ki Seok Kim、Doyoon Lee、Celesta Chang、Seunghwan Seo、Hyunseok Kim、Jiho Shin、Sangho Lee、Jun Min Suh 和 Bo-In Park，以及德克薩斯大學達拉斯分校的合作者，加州大學河濱分校、圣路易斯華盛頓大學以及韓國各地的機構(gòu)。
crystal patchwork
為了生產(chǎn)二維材料，研究人員通常采用手動工藝，將原子薄片小心地從大塊材料上剝離，就像剝洋蔥層一樣。
但大多數(shù)塊狀材料都是多晶的，包含多個隨機方向生長的晶體。在一個晶體與另一個晶體相遇的地方，“晶界”充當電屏障。任何流過一個晶體的電子在遇到不同方向的晶體時都會突然停止，從而降低材料的導電性。即使在剝離 2D 薄片之后，研究人員也必須在薄片中搜索“單晶”區(qū)域——這是一個乏味且耗時的過程，很難在工業(yè)規(guī)模上應(yīng)用。
最近，研究人員發(fā)現(xiàn)了制造二維材料的其他方法，方法是在藍寶石晶圓上生長它們——一種具有六邊形原子圖案的材料，可以促使二維材料以相同的單晶方向組裝。
“但沒有人在內(nèi)存或邏輯行業(yè)中使用藍寶石，”Kim 說。“所有基礎(chǔ)設(shè)施都基于硅。對于半導體加工，你需要使用硅晶圓。”
然而，硅晶圓缺乏藍寶石的六邊形支撐支架。當研究人員試圖在硅上生長二維材料時，結(jié)果是隨機拼湊的晶體隨意合并，形成許多阻礙導電性的晶界。
“人們認為在硅上生長單晶 2D 材料幾乎是不可能的，”Kim 說。“現(xiàn)在我們證明你可以。而我們的訣竅是防止晶界的形成。”
Seed pockets
該團隊的新“非外延單晶生長”不需要剝離和搜索二維材料薄片。相反，研究人員使用傳統(tǒng)的氣相沉積方法將原子泵送到硅晶片上。原子最終沉積在晶圓上并成核，生長成二維晶體方向。如果任其發(fā)展，每個“核”或晶體的種子都會在硅片上以隨機方向生長。但是 Kim 和他的同事找到了一種方法來對齊每個生長的晶體，以在整個晶圓上創(chuàng)建單晶區(qū)域。
為此，他們首先用“掩模”覆蓋硅晶片——一層二氧化硅，他們將其圖案化成微小的口袋，每個口袋都設(shè)計用來捕獲晶種。然后，他們在掩模晶圓上流動原子氣體，這些原子氣體沉降到每個口袋中，形成二維材料——在本例中為 TMD。掩模的口袋聚集了原子，并鼓勵它們以相同的單晶方向組裝在硅晶片上。
“這是一個非常令人震驚的結(jié)果，”Kim 說，“即使二維材料和硅片之間沒有外延關(guān)系，到處都是單晶生長。”
通過他們的掩蔽方法，該團隊制造了一個簡單的 TMD 晶體管，并表明其電氣性能與相同材料的純薄片一樣好。
他們還應(yīng)用該方法來設(shè)計多層設(shè)備。在用圖案掩模覆蓋硅晶片后，他們生長了一種類型的二維材料以填充每個正方形的一半，然后在第一層上生長了第二種類型的二維材料以填充其余的正方形。結(jié)果是每個正方形內(nèi)都有一個超薄的單晶雙層結(jié)構(gòu)。Kim 說，展望未來，可以通過這種方式生長和堆疊多種二維材料，以制造超薄、靈活和多功能的薄膜。
“到目前為止，還沒有辦法在硅晶圓上制造單晶形式的二維材料，因此整個社區(qū)幾乎放棄了為下一代處理器開發(fā)二維材料，”Kim 說。“現(xiàn)在我們已經(jīng)完全解決了這個問題，有辦法使設(shè)備小于幾納米。這將改變摩爾定律的范式。”
這項研究得到了 DARPA、英特爾、IARPA MicroE4AI 計劃、MicroLink Devices, Inc.、ROHM Co. 和三星的部分支持。
來源：半導體行業(yè)觀察
本文轉(zhuǎn)載自微信公眾號寬禁帶半導體技術(shù)創(chuàng)新聯(lián)盟，不做商業(yè)用途，只作新聞參考
