Nature点评:续命摩尔定律,二维半导体的三个关键挑战!
Li et al 纳米人 2019-03-14

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1965 年,英特尔联合创始人戈登·摩尔提出:集成电路上可容纳的元器件的数量每隔 18 至 24 个月就会增加一倍,性能也将提升一倍,这就是著名的摩尔定律。为了让硅芯片适应更多的晶体管,必须让晶体管的物理尺寸越来越小。现在,一个指甲大小的芯片可以承载100亿个晶体管,硅晶体管也正在达到其物理极限,如何拓展摩尔定律以释放下一代计算机的潜力,就需要完全不同的新材料和新设备。

 

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图丨华尔街日报

 

所有基于块体(3D)半导体的晶体管似乎都存在这个问题,包括由锗,铟镓砷和磷化铟制成的半导体。在块体半导体中,电子很难通过纳米尺度的通道,因为通道表面缺陷会散射电荷,阻碍其流动。

 

现在,以 MoS2为代表的过渡金属二硫化物等二维材料可以使晶体管尺寸进一步缩小。对于这些原子级超薄的晶体片而言,它们垂直尺寸已经薄到极限,且表面平坦无缺陷,所以电子不易于散射,电荷可以相对自由地流过它们。

 

然而,这些研究仍处于早期阶段。二维半导体材料要想在实际应用中继续拓展摩尔定律,必须解决三个基本的研究挑战。

 

挑战一:千淘万漉, 吹尽狂沙

 

首先,我们必须在超过1000名候选材料中找到适合2D晶体管的最佳之选。这些材料电子属性差异很大,理论预测比实验更快,但准确度无法保证。这是因为,电子的能量取决于晶格中原子的特定性质和排列,在实际材料中通常比在理想模型中更复杂,所以我们必须考虑电子和原子之间的相互作用,这样就增加了不确定性。

 

另外,实验发现,电子在2D材料中并不像理论预期的那样具有移动性,而我们对于其中所涉及的电子散射过程知之甚少。例如,晶格的振动如何阻碍电子?相邻的层之间,例如基板和保护膜,也会产生影响,附近的电荷和缺陷也会产生影响。所有这些因素,都需要材料学家、物理学家和工程师统筹思考。

 

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单分子厚晶体管芯片    

图丨PengLin and Sanghoon Bae



挑战二:高品质,规模化

 

挑选出最有前途的材料后,当然需要通过实验测试进行验证。首先,样品需要具有高质量、大尺寸,以便集成到最先进的晶体管和简单的基准电路中。缺陷和晶界影响电荷流,因此,研究人员需要学习如何使用完美对齐的晶体来生长均匀的2D材料,还需要学会 如何控制层的厚度来调整电子特性。

 

2D片层晶体的生长有两种常用策略,真空沉积或者机械剥离。生长大面积高品质的材料往往还是需要在真空室进行原子沉积。晶体生长过程中,会受到衬底的影响。3D材料与底层紧密结合,并紧密跟随其原子几何形状。相比之下,2D材料仅松散地附着在基板上,虽受其影响,但是相比3D材料其作用小很多。

 

2D材料需要具备化学稳定性和热稳定性。例如,磷芴和硒化铟放置于环境空气中,在数小时内就会发生降解。添加保护膜(如氧化物)有助于保护材料,但这又增加了另一个需要考虑的界面。

 

晶体管需要规模化制造。如今,该行业通常使用硅基板和二氧化硅绝缘体,这就面临2个问题:1)这些材料不能用于定向生长;2)原子气相沉积所需的高温(600-1,000°C)会导致这些材料的电气质量降低。因此,2D材料必须在昂贵的碳化硅或蓝宝石衬底上生长,它们可以承受这种热量,然后转移到硅衬底上以集成到器件中。除此之外,分子束外延法是在较低温度(低于300°C)下生长2D材料的另一种方法,但生长速度太慢,一个样品可能需要好几天才能生长出来。除此之外,产量和重复性也必须进一步考虑。

 

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芯片制造实验室     

图丨Lain-Jong Li


挑战三:器件评估标准

 

应在共同框架内评估不同2D材料的性能。在不同实验室,甚至同一实验室的不同研究中,同一个器件的测量结果都可能不一致。每种类型的设备都有自己的需求,衬底,夹层,电子触点,制造工艺,精确组成和结构都很重要。例如,逻辑开关中的晶体管必须急剧接通和断开,并且节能晶体管必须在低电压下工作。

 

学术和工业研究人员应合作制定测量标准,类似于美国国家可再生能源实验室对太阳能电池效率评估的标准,这将极大地促进整个行业的良性、有序发展。

 

 

半导体芯片产业接近5000万亿美元,2D材料应该在电子器件领域发挥更大的作用,探索逻辑,存储器和连接的材料,政府、产业界应该投资解决这些研究问题。石墨烯-最著名的二维材料及其大规模生产方法正在通过欧盟委员会10亿欧元(11亿美元)的石墨烯旗舰研究项目开发,但其他二维材料仍处于学术阶段。

 

现在说2D半导体是否会改变晶体管还为时过早,但他们确实是我们延长摩尔定律的最佳候选人之一!

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