摘要：麻省理工學院的工程師開發(fā)了一種“非外延單晶生長”方法，可讓芯片制造商在現(xiàn)有的硅晶片和其他材料上生長2D材料，以制造越來越小的晶體管，并在納米尺度上實現(xiàn)優(yōu)于硅的導電性能。



根據(jù)摩爾定律（Moore’s Law），微芯片上的晶體管數(shù)量自20世紀60年代以來每年翻一番。但這一軌跡預計將很快趨于平穩(wěn)，因為一旦由這種材料制成的器件降至一定尺寸以下，現(xiàn)代晶體管的支柱——硅（Si）就會失去其電氣特性。

進入2D材料——精細的二維完美晶體薄片，薄如單個原子。在納米尺度上，2D材料傳導電子的效率遠高于硅。因此，對下一代晶體管材料的研究集中在2D材料上，作為硅的潛在替代品。但在電子行業(yè)可以過渡到2D材料之前，科學家必須首先找到一種方法，在工業(yè)標準硅片上設計材料，同時保留它們完美的晶體形式。

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，使芯片制造商在現(xiàn)有的硅晶片和其他材料上生長出2D材料，可用來制造越來越小的晶體管。新方法是“非外延單晶生長”的一種形式，該團隊首次使用這種方法在工業(yè)硅片上生長純的、無缺陷的2D材料。

通過他們的方法，該團隊用一種叫做過渡金屬二硫族化物(TMDs)的2D材料制造了一種簡單的功能晶體管，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說，“我們希望我們的技術能夠開發(fā)出基于2D半導體的高性能下一代電子器件。我們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了一種利用2D材料追趕摩爾定律的方法�！�


晶體形成


為了生產(chǎn)2D材料，研究人員通常采用手工工藝，從大塊材料中小心地剝離一層原子般薄的薄片，就像剝洋蔥一樣。

但是大多數(shù)塊狀材料是多晶的，包含多個隨機取向生長的晶體。當一種晶體與另一種晶體相遇時,“晶界”起著電屏障的作用。任何流經(jīng)一個晶體的電子在遇到不同取向的晶體時都會突然停止，從而降低材料的導電性。即使剝離2D薄片后，研究人員還必須在薄片中尋找“單晶”區(qū)域——這是一個繁瑣耗時的過程，很難應用于工業(yè)規(guī)模。

最近，研究人員發(fā)現(xiàn)了制造2D材料的其他方法，通過在藍寶石晶片上生長它們——這種材料具有六邊形的原子圖案，這種圖案有利于2D材料以相同的單晶取向組裝。

“但是沒有人在內(nèi)存或邏輯工業(yè)中使用藍寶石，”Kim說�！八械幕A設施都基于硅。對于半導體加工，你需要使用硅片。”

然而，硅晶片缺少藍寶石的六角形支撐架。當研究人員試圖在硅上生長2D材料時，結果是隨機融合的晶體，形成無數(shù)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�！艾F(xiàn)在我們證明給你看，而我們的訣竅就是防止晶界的形成�！�


種子晶體


該團隊的新“非外延單晶生長（nonepitaxial, single-crystalline growth）”不需要剝離和搜索2D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過硅片。原子最終落在晶片上并成核，生長成二維晶體取向。如果不去管它，每一個“晶核”，或者說一個晶體的種子，都會在硅片上以隨機的方向生長。但Kim和他的同事們找到了一種方法，將每個生長的晶體排列起來，在整個晶片上形成單晶區(qū)域。

為了做到這一點，他們首先在硅片上覆蓋了一層“掩膜”，這是一層二氧化硅涂層，他們將其圖案化成微小的口袋，每個口袋都被設計成捕獲一個晶體的晶種。然后，他們讓原子氣體流過被掩蔽的晶片，這些原子氣體進入每個口袋，形成2D材料——在這種情況下，就是TMD。掩模的口袋將原子圍在一起，并鼓勵它們以相同的單晶方向在硅晶片上組裝。

“這是一個非常令人震驚的結果，”Kim說，“到處都是單晶生長，即使2D材料和硅晶片之間沒有外延關系�！�

利用他們的掩蔽方法，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。

他們還將該方法應用于多層器件的設計。在用有圖案的掩模覆蓋硅片后，他們生長一種2D材料來填充每個正方形的一半，然后在第一層上生長第二種2D材料來填充其余的正方形。結果是每個正方形內(nèi)都有一個超薄的單晶雙層結構。Kim說，展望未來，多種2D材料可以以這種方式生長和堆疊在一起，制成超薄、柔性和多功能的薄膜。

“到目前為止，還沒有辦法在硅片上制造單晶形式的2D材料，因此整個社區(qū)都在努力實現(xiàn)下一代處理器而不轉移2D材料，”Kim說�！艾F(xiàn)在我們已經(jīng)完全解決了這個問題，有了一種制造小于幾納米器件的方法。這將改變摩爾定律的范式�！�

查詢進一步信息，請訪問英文網(wǎng)站http://news.mit.edu/2023/2d-atom-thin-industrial-silicon-wafers-0118。（鐠元素）