在工业晶圆上生长的原子薄材料

半导体的见解

• 麻省理工学院的研究人员开发了一种方法，可以使芯片制造商通过在现有晶圆上生长二维材料来制造更小的晶体管。
• 这项技术可以帮助研究人员超越硅，利用其他材料来赶上摩尔定律。硅已经达到了稳定期。
• 这项研究是研究人员寻找地球上丰富的新材料的更大努力的一部分，这些新材料可以在计算机变得越来越强大和复杂的时候为人们提供所需的东西。

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根据摩尔定律，自20世纪60年代以来，微芯片上晶体管的数量每年都翻一番。然而，这一趋势预计很快就会停滞不前，因为硅——现代晶体管的支柱——一旦由这种材料制成的器件低于一定尺寸，就会失去其电学性能。

进入二维材料——精细的、完美的二维晶体薄片，薄如单个原子。在纳米尺度上，二维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研究集中在二维材料上，作为硅的潜在继承者。

在电子工业过渡到2D材料之前，科学家们必须首先找到一种方法，在工业标准硅片上设计材料，同时保持其完美的晶体形态。

麻省理工学院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片和其他材料上生长，用2D材料制造出更小的晶体管。这种新方法是“非外延单晶生长”的一种形式，该团队首次使用这种方法将纯的、无缺陷的2D材料生长到工业硅片上。

通过他们的方法，研究小组用一种叫做过渡金属二硫化物(tmd)的2D材料制造了一个简单的功能晶体管，这种材料在纳米尺度上的导电性比硅更好。

麻省理工学院机械工程副教授Jeehwan Kim表示:“我们希望我们的技术能够开发基于二维半导体的高性能下一代电子设备。”“我们已经开启了一种利用2D材料来追赶摩尔定律的方法。”

Kim和他的同事在一篇文章中详细介绍了他们的方法纸出现在自然．

水晶拼接

为了生产2D材料，研究人员通常采用手工工艺，将原子薄的薄片从大块材料上仔细剥落，就像剥开洋葱层一样。

大多数块状材料是多晶的，包含以随机方向生长的多个晶体。当一个晶体与另一个晶体相遇时，“晶界”起着电垒的作用。任何流过一个晶体的电子在遇到另一个取向不同的晶体时突然停止，从而降低了材料的导电性。即使在剥去2D薄片后，研究人员也必须在薄片上寻找“单晶”区域——这是一个繁琐而耗时的过程，很难在工业规模上应用。

最近，研究人员发现了制造二维材料的其他方法，通过在蓝宝石晶片上生长它们，蓝宝石是一种具有六角形原子图案的材料，它鼓励二维材料以相同的单晶方向组装。

金教授表示:“但在存储器或逻辑产业中，没有人使用蓝宝石。“所有的基础设施都是基于硅的。在半导体加工方面，需要使用硅片。”

然而，硅晶圆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二维材料时，结果是随意合并的晶体随机拼凑，形成许多阻碍导电的晶界。

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

种子的口袋

该团队的“非外延单晶生长”不需要剥离和搜索二维材料的薄片。相反，研究人员使用传统的气相沉积方法将原子泵入硅片。原子最终沉淀在晶圆上并成核，生长成二维晶体方向。如果放任不管，每个“核”或晶体的种子将在硅片上以随机的方向生长。但是Kim和他的同事们找到了一种方法，使每个生长的晶体在整个晶圆上形成单晶区域。

为了做到这一点，他们首先在硅片上覆盖了一个“面具”——一种二氧化硅涂层，他们把它做成小口袋，每个口袋都设计用来捕获晶体种子。然后，他们在掩膜晶圆上流动原子气体，这些原子气体进入每个口袋，形成二维材料——在这种情况下，是TMD。掩膜的口袋聚集原子，并鼓励它们以相同的单晶方向在硅片上组装。

“这是一个非常令人震惊的结果，”金说。“即使二维材料和硅片之间没有外延关系，到处都是单晶生长。”

利用他们的掩蔽方法，该团队制造了一个TMD晶体管，并表明其电性能与相同材料的纯片状晶体管一样好。

他们还将该方法应用于设计多层设备。在硅片上覆盖有图案的掩模后，他们种植一种2D材料来填充每个正方形的一半，然后在第一层上种植第二种2D材料来填充其余的正方形。结果是每个方格内都有超薄的单晶双层结构。Kim说，未来，多种2D材料可以以这种方式生长和堆叠在一起，从而制成超薄、柔性和多功能的薄膜。

Kim说:“到目前为止，还没有办法在硅片上以单晶形式制造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。”“现在我们已经完全解决了这个问题，有了一种方法来制造小于几纳米的设备。这将改变摩尔定律的范式。”

-由Chris Vavra编辑，web内容经理，CFE媒体和技术，cvavra@cfemedia.com．

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