<p>根據(jù)摩爾定律，自20世紀(jì)60年代以來(lái)，微芯片上晶體管的數(shù)量每年都翻一番。但據(jù)預(yù)測(cè)，這一趨勢(shì)很快就會(huì)停滯不前，因?yàn)楣?amp;mdash;&mdash;現(xiàn)代晶體管的支柱&mdash;&mdash;一旦由這種材料制成的器件降至一定尺寸以下，就會(huì)失去其電學(xué)性能。</p> <p>&nbsp;</p> <p>進(jìn)入二維材料&mdash;&mdash;精細(xì)的、完美的二維晶體薄片，薄如單個(gè)原子。在納米尺度上，二維材料可以比硅更有效地傳導(dǎo)電子。因此，對(duì)下一代晶體管材料的研究集中在二維材料上，作為硅的潛在繼承者。</p> <p>&nbsp;</p> <p>但在電子工業(yè)過(guò)渡到2D材料之前，科學(xué)家們必須首先找到一種方法，在工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)硅片上設(shè)計(jì)材料，同時(shí)保持其完美的晶體形態(tài)。麻省理工學(xué)院的工程師們現(xiàn)在可能有了一個(gè)解決方案。</p> <p>&nbsp;</p> <p>該團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種方法，可以使芯片制造商通過(guò)在現(xiàn)有的硅片和其他材料上生長(zhǎng)，用2D材料制造出更小的晶體管。這種新方法是&ldquo;非外延單晶生長(zhǎng)&rdquo;的一種形式，該團(tuán)隊(duì)首次使用這種方法將純的、無(wú)缺陷的2D材料生長(zhǎng)到工業(yè)硅片上。</p> <p>&nbsp;</p> <p>通過(guò)他們的方法，研究小組用一種叫做過(guò)渡金屬二硫化物(tmd)的2D材料制造了一個(gè)簡(jiǎn)單的功能晶體管，這種材料在納米尺度上的導(dǎo)電性比硅更好。</p> <p>&nbsp;</p> <p>麻省理工學(xué)院機(jī)械工程副教授Jeehwan Kim說(shuō):&ldquo;我們希望我們的技術(shù)能夠開(kāi)發(fā)基于二維半導(dǎo)體的高性能下一代電子設(shè)備。&rdquo;&ldquo;我們已經(jīng)開(kāi)啟了一種利用2D材料來(lái)追趕摩爾定律的方法。&rdquo;</p> <p>&nbsp;</p> <p>金和他的同事在今天發(fā)表在《自然》雜志上的一篇論文中詳細(xì)介紹了他們的方法。這項(xiàng)研究在麻省理工學(xué)院的共同作者包括Ki Seok Kim、Doyoon Lee、Celesta Chang、Seunghwan Seo、Hyunseok Kim、Jiho Shin、Sangho Lee、Jun Min Suh和Bo-In Park，以及來(lái)自德克薩斯大學(xué)達(dá)拉斯分校、加州大學(xué)河濱分校、華盛頓大學(xué)圣路易斯分校和韓國(guó)各地機(jī)構(gòu)的合作者。</p> <p>&nbsp;</p> <p><span class="h1"><strong>水晶拼接</strong></span></p> <p>&nbsp;</p> <p>為了生產(chǎn)2D材料，研究人員通常采用手工工藝，將原子薄的薄片從大塊材料上仔細(xì)剝落，就像剝開(kāi)洋蔥層一樣。</p> <p>&nbsp;</p> <p>但是大多數(shù)塊狀材料都是多晶的，包含以隨機(jī)方向生長(zhǎng)的多個(gè)晶體。當(dāng)一個(gè)晶體與另一個(gè)晶體相遇時(shí)，&ldquo;晶界&rdquo;起著電壘的作用。任何流過(guò)一個(gè)晶體的電子在遇到另一個(gè)取向不同的晶體時(shí)突然停止，從而降低了材料的導(dǎo)電性。即使在剝?nèi)?D薄片后，研究人員也必須在薄片上尋找&ldquo;單晶&rdquo;區(qū)域&mdash;&mdash;這是一個(gè)繁瑣而耗時(shí)的過(guò)程，很難在工業(yè)規(guī)模上應(yīng)用。</p> <p>&nbsp;</p> <p>最近，研究人員發(fā)現(xiàn)了制造二維材料的其他方法，通過(guò)在藍(lán)寶石晶片上生長(zhǎng)它們，藍(lán)寶石是一種具有六角形原子圖案的材料，它鼓勵(lì)二維材料以相同的單晶方向組裝。</p> <p>&nbsp;</p> <p>&ldquo;但沒(méi)有人在內(nèi)存或邏輯行業(yè)中使用藍(lán)寶石，&rdquo;Kim說(shuō)。&ldquo;所有的基礎(chǔ)設(shè)施都是基于硅的。在半導(dǎo)體加工方面，需要使用硅片。&rdquo;</p> <p>然而，硅晶圓缺乏藍(lán)寶石的六角形支撐支架。當(dāng)研究人員試圖在硅上生長(zhǎng)二維材料時(shí)，結(jié)果是隨意合并的晶體隨機(jī)拼湊，形成許多阻礙導(dǎo)電的晶界。</p> <p>&nbsp;</p> <p>&ldquo;在硅上生長(zhǎng)單晶二維材料幾乎是不可能的，&rdquo;Kim說(shuō)。&ldquo;現(xiàn)在我們證明你可以。我們的訣竅是防止晶界的形成。&rdquo;</p> <p>&nbsp;</p> <p><span class="h1"><strong>種子的口袋</strong></span></p> <p>&nbsp;</p> <p>該團(tuán)隊(duì)的新型&ldquo;非外延單晶生長(zhǎng)&rdquo;不需要?jiǎng)冸x和搜索二維材料的薄片。相反，研究人員使用傳統(tǒng)的氣相沉積方法將原子泵入硅片。原子最終沉淀在晶圓上并成核，生長(zhǎng)成二維晶體方向。如果放任不管，每個(gè)&ldquo;核&rdquo;或晶體的種子將在硅片上以隨機(jī)的方向生長(zhǎng)。但是Kim和他的同事們找到了一種方法，使每個(gè)生長(zhǎng)的晶體在整個(gè)晶圓上形成單晶區(qū)域。</p> <p>&nbsp;</p> <p>為了做到這一點(diǎn)，他們首先在硅片上覆蓋了一個(gè)&ldquo;面具&rdquo;&mdash;&mdash;一種二氧化硅涂層，他們把它做成小口袋，每個(gè)口袋都設(shè)計(jì)用來(lái)捕獲晶體種子。然后，他們?cè)谘谀ぞA上流動(dòng)原子氣體，這些原子氣體進(jìn)入每個(gè)口袋，形成二維材料&mdash;&mdash;在這種情況下，是TMD。掩膜的口袋聚集原子，并鼓勵(lì)它們以相同的單晶方向在硅片上組裝。</p> <p>&nbsp;</p> <p>&ldquo;這是一個(gè)非常令人震驚的結(jié)果，&rdquo;Kim說(shuō)，&ldquo;即使二維材料和硅片之間沒(méi)有外延關(guān)系，到處都是單晶生長(zhǎng)。&rdquo;</p> <p>&nbsp;</p> <p>利用他們的掩蔽方法，該團(tuán)隊(duì)制造了一個(gè)簡(jiǎn)單的TMD晶體管，并表明其電性能與相同材料的純片狀晶體管一樣好。</p> <p>&nbsp;</p> <p>他們還將該方法應(yīng)用于設(shè)計(jì)多層設(shè)備。在硅片上覆蓋有圖案的掩模后，他們種植一種2D材料來(lái)填充每個(gè)正方形的一半，然后在第一層上種植第二種2D材料來(lái)填充其余的正方形。結(jié)果是每個(gè)方格內(nèi)都有超薄的單晶雙層結(jié)構(gòu)。Kim說(shuō)，未來(lái)，多種2D材料可以以這種方式生長(zhǎng)和堆疊在一起，從而制成超薄、柔性和多功能的薄膜。</p> <p>&nbsp;</p> <p>Kim說(shuō):&ldquo;到目前為止，還沒(méi)有辦法在硅片上以單晶形式制造2D材料，因此整個(gè)社區(qū)一直在努力在不轉(zhuǎn)移2D材料的情況下實(shí)現(xiàn)下一代處理器。&rdquo;&ldquo;現(xiàn)在我們已經(jīng)完全解決了這個(gè)問(wèn)題，有了一種方法來(lái)制造小于幾納米的設(shè)備。這將改變摩爾定律的范式。&rdquo;</p> <p>這項(xiàng)研究得到了美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局、英特爾、IARPA MicroE4AI項(xiàng)目、MicroLink設(shè)備公司、ROHM公司和三星的部分支持。</p> <p>&nbsp;</p> <blockquote> <p>注：本文由院校官方新聞直譯，僅供參考，不代表指南者留學(xué)態(tài)度觀點(diǎn)。</p> </blockquote>