自20世紀(jì)60年代以來(lái)，電子電路上可容納的元器件數(shù)量每?jī)赡瓯阍黾右槐?，這種趨勢(shì)就是著名的摩爾定律。隨著晶體管越來(lái)越小，硅芯片上可容納的元器件數(shù)量在不斷增加。但目前看來(lái)，硅晶體管正接近它的物理極限。只有開發(fā)出全新類型的材料和設(shè)備，才能釋放下一代計(jì)算機(jī)的潛力。
單分子厚晶體管芯片或許能用來(lái)驅(qū)動(dòng)下一代計(jì)算機(jī)。
圖片來(lái)源:Peng Lin、Sanghoon Bae
基于塊體（三維）半導(dǎo)體的所有晶體管都面臨著相同的問(wèn)題，包括由鍺、砷鎵銦和磷化銦制成的晶體管。電子一般難以在納米厚度的溝道內(nèi)遷移，溝道表面的缺陷也會(huì)導(dǎo)致電荷散射，減慢電子流動(dòng)速度。
而單原子層的二維材料有望使晶體管進(jìn)一步縮小。由于它們的“垂直”維度有限，且表面平整沒(méi)有缺陷，因而電子不易發(fā)生散射，電荷也能相對(duì)自由地在其中流動(dòng)。前景可觀的材料包括過(guò)渡金屬硫化物 （如二硒化鎢和二硫化鉬）。
但是，這類研究仍處于初級(jí)階段，如果要滿足實(shí)用設(shè)備的工業(yè)級(jí)需求，必須先解決三大根本挑戰(zhàn)。
三大挑戰(zhàn)
準(zhǔn)確預(yù)測(cè)特性。首先，我們要找到適合的二維晶體管材料?，F(xiàn)有的候選材料超過(guò)1000種，它們的電子特性差異巨大。從理論上預(yù)測(cè)電子特性比通過(guò)實(shí)驗(yàn)一個(gè)個(gè)剔除要來(lái)得更快。但是，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)材料行為的難度很大。電子能量取決于晶格中原子的特定性質(zhì)和排列方式，真實(shí)材料的這些特性往往比理想化模型來(lái)得復(fù)雜。此外，還必須考慮電子和原子間的相互作用，近似物也會(huì)增加不確定性。
實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，電子在二維層狀材料中的遷移率不如預(yù)想的高?？茖W(xué)家已知這是由于電子散射導(dǎo)致的，但對(duì)其作用過(guò)程卻不甚了解。比如說(shuō)，晶格振動(dòng)如何減慢電子流動(dòng)速度？襯底和保護(hù)膜這些鄰近材料層，以及附近的電荷和缺陷都會(huì)產(chǎn)生影響。以上問(wèn)題都需要物理學(xué)家加以全盤考慮。
生長(zhǎng)和測(cè)試樣品。前景可觀的候選材料需要經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試。樣品質(zhì)量非常重要，而且要足夠大，這樣才可以并入最先進(jìn)的晶體管和簡(jiǎn)單的基準(zhǔn)電路中。缺陷和晶界會(huì)影響電荷流動(dòng)。因此，研究人員要知道如何用排列整齊的晶體生長(zhǎng)出均勻的二維材料片層，以及如何通過(guò)控制片層厚度來(lái)調(diào)整電子特性。
現(xiàn)有兩種制備二維晶體片層的方法。首選方法是通過(guò)真空室蒸氣的原子沉積。另一種方法是剝離，包括機(jī)械剝離和溶液脫落——前者產(chǎn)生的晶格缺陷較少，但得到的產(chǎn)物數(shù)量過(guò)少，無(wú)法用于實(shí)際設(shè)備。
在晶體形成的過(guò)程中，襯底會(huì)影響其生長(zhǎng)。三維材料會(huì)與底層緊密結(jié)合，嚴(yán)格遵循其原子幾何構(gòu)型。相比之下，二維材料與襯底的結(jié)合不太緊密，但仍然會(huì)受到其影響。例如，在藍(lán)寶石上生長(zhǎng)的MoS2晶體會(huì)沿著兩個(gè)方向生長(zhǎng)（0度和60度方向）。其它材料形成的定向性較低的晶粒，其晶界類似于拼圖中的接縫，一些部位最后會(huì)超過(guò)單分子層厚度。
臺(tái)積電的研究人員正在半導(dǎo)體材料先進(jìn)研究技術(shù)實(shí)驗(yàn)室工作。
圖片來(lái)源：Lain-Jong Li
二維材料需要具有化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性。比如，磷烯和硒化銦在環(huán)境大氣中會(huì)在幾個(gè)小時(shí)內(nèi)迅速分解。添加保護(hù)膜（如氧化物）有助于保護(hù)材料，但需要考慮的界面也會(huì)增加。
最后，晶體管需要能以可靠的方式實(shí)現(xiàn)大規(guī)模制造。如今，行業(yè)常用的是硅襯底和二氧化硅絕緣體，但這些無(wú)法用于取向生長(zhǎng)，而且它們的電學(xué)性能會(huì)在高溫下下降，而氣相原子沉積必須在高溫（600–1000?°C）條件下完成。因此，研究人員需要在能夠承受這種高溫、但很昂貴的碳化硅或藍(lán)寶石襯底上生長(zhǎng)二維材料，再轉(zhuǎn)移到硅襯底，最后并入設(shè)備中。分子束外延（真空中的原子束噴涂）是另一種在相對(duì)低溫（300?°C以下）條件下生長(zhǎng)二維材料的方法，但這個(gè)方法較慢：樣本可能需要數(shù)天時(shí)間生長(zhǎng)，其產(chǎn)量和可重復(fù)性也需要進(jìn)一步提升。
評(píng)估設(shè)備性能。應(yīng)在同一框架內(nèi)對(duì)不同二維材料的性能進(jìn)行評(píng)估，因?yàn)椴煌瑘?chǎng)景或?qū)嶒?yàn)室報(bào)告的測(cè)量數(shù)據(jù)可能并不一致。襯底的精確成分和結(jié)構(gòu)、夾層、電子接點(diǎn)和制造過(guò)程都很重要。每種類型的設(shè)備會(huì)有自己的需求。比方說(shuō)，邏輯開關(guān)的晶體管必須快速開關(guān)，能量高效的晶體管必須在低電壓下工作。
學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的研究人員應(yīng)該共同開發(fā)測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)，具體可以參照美國(guó)國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室編制的太陽(yáng)能電池效率測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn)中應(yīng)規(guī)定設(shè)備結(jié)構(gòu)、金屬接觸標(biāo)準(zhǔn)以及測(cè)量流程等內(nèi)容。
合作與經(jīng)費(fèi)
規(guī)模近5000億美元的半導(dǎo)體芯片產(chǎn)業(yè)應(yīng)該劃撥經(jīng)費(fèi)，尋找以上問(wèn)題的答案；各級(jí)政府也不例外。目前研究最為透徹的二維材料是石墨烯，歐盟委員會(huì)籌資10億歐元的 “石墨烯旗艦”（Graphene Flagship）研究項(xiàng)目正在努力開發(fā)石墨烯的應(yīng)用途徑和量產(chǎn)方法。除此之外，很多其它的二維材料仍停留在理論研究階段。
探索邏輯、存儲(chǔ)和連接材料開發(fā)的電子學(xué)項(xiàng)目應(yīng)該更多地關(guān)注二維材料。一個(gè)例子是美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)投資的“二維原子層研究和工程”（2-DARE）。半導(dǎo)體研究公司（Semiconductor Research Corporation）是一家位于美國(guó)北卡羅來(lái)納州的非營(yíng)利研究聯(lián)盟，許多與之同類的組織應(yīng)該設(shè)立更多項(xiàng)目，推進(jìn)二維材料的研發(fā)。
現(xiàn)在還無(wú)法斷言二維半導(dǎo)體是否能帶來(lái)晶體管的革命，但它的確是延續(xù)摩爾定律的最佳候選之一。
聯(lián)系客服
