下代晶体管有望更小!新工艺可使工业硅片“长出”完美2D超薄材料

黄君芝2023-01-21 17:00

根据摩尔定律,自20世纪60年代以来,芯片上晶体管的数量每年都翻一番。但据预测,这一趋势很快就会停滞不前,因为用硅制成的器件一旦低于一定的尺寸,就会失去其导电性能。

据了解,在纳米尺度上,二维材料可比硅更有效地传导电子。因此,寻找下一代晶体管材料的重点是将二维材料作为硅的潜在替代品。但在此之前,科学家们必须首先找到一种方法,在保持其完美结晶形态的同时,在工业标准硅片上设计这种材料。

近期,麻省理工学院(MIT)的工程师们似乎找到了一个可能的解决方案,他们将研究成果发表在了《自然》杂志上。

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据悉,该团队开发出了一种“非外延单晶生长”方法,可以在现有的工业硅晶圆上生长出纯净的、无缺陷的二维材料,以制造出更小的晶体管。通过新方法,研究小组用一种叫做过渡金属二硫化物的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。

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麻省理工学院机械工程副教授Jeehwan Kim说,“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。”

一般而言,为生产2D材料,研究人员通常采用一种手工工艺,即从大块材料中小心地剥离原子般薄的薄片,就像剥洋葱层一样。

但大多数块状材料都是多晶的,包含多个随机方向生长的晶体。当一种晶体与另一种晶体相遇时,“晶界”起到了电屏障的作用。任何流过一个晶体的电子在遇到不同方向的晶体时都会突然停止,从而降低材料的导电性。即使在剥离2D薄片之后,研究人员也必须搜索薄片中的“单晶”区域,这是一个繁琐且耗时的过程,很难应用于工业规模。

在上述新研究中,研究人员发现了制造二维材料的其他方法,即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,可促使二维材料以相同的单晶方向组装。新的“非外延单晶生长”方法不需要剥离和搜索二维材料的薄片,并可使晶体向同一方向生长。

研究小组据此制造了一个简单的过渡金属二硫化物晶体管,其电性能与相同材料的纯薄片一样好。研究人员表示,未来或可制造出小于几纳米的器件,这将改变摩尔定律的规律。

来源:财联社

作者:黄君芝

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