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<p>根據(jù)摩爾定律，自20世紀60年代以來，微芯片上晶體管的數(shù)量每年都翻一番。但據(jù)預測，這一趨勢很快就會停滯不前，因為硅&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，就會失去其電學性能。</p> <p>&nbsp;</p> <p>進入二維材料&mdash;&mdash;精細的、完美的二維晶體薄片，薄如單個原子。在納米尺度上，二維材料可以比硅更有效地傳導電子。因此，對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)過渡到2D材料之前，科學家們必須首先找到一種方法，在工業(yè)標準硅片上設計材料，同時保持其完美的晶體形態(tài)。麻省理工學院的工程師們現(xiàn)在可能有了一個解決方案。</p> <p>&nbsp;</p> <p>該團隊開發(fā)了一種方法，可以使芯片制造商通過在現(xiàn)有的硅片和其他材料上生長，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&rdquo;的一種形式，該團隊首次使用這種方法將純的、無缺陷的2D材料生長到工業(yè)硅片上。</p> <p>&nbsp;</p> <p>通過他們的方法，研究小組用一種叫做過渡金屬二硫化物(tmd)的2D材料制造了一個簡單的功能晶體管，這種材料在納米尺度上的導電性比硅更好。</p> <p>&nbsp;</p> <p>麻省理工學院機械工程副教授Jeehwan Kim說:&ldquo;我們希望我們的技術(shù)能夠開發(fā)基于二維半導體的高性能下一代電子設備。&rdquo;&ldquo;我們已經(jīng)開啟了一種利用2D材料來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介紹了他們的方法。這項研究在麻省理工學院的共同作者包括Ki Seok Kim、Doyoon Lee、Celesta Chang、Seunghwan Seo、Hyunseok Kim、Jiho Shin、Sangho Lee、Jun Min Suh和Bo-In Park，以及來自德克薩斯大學達拉斯分校、加州大學河濱分校、華盛頓大學圣路易斯分校和韓國各地機構(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剝落，就像剝開洋蔥層一樣。</p> <p>&nbsp;</p> <p>但是大多數(shù)塊狀材料都是多晶的，包含以隨機方向生長的多個晶體。當一個晶體與另一個晶體相遇時，&ldquo;晶界&rdquo;起著電壘的作用。任何流過一個晶體的電子在遇到另一個取向不同的晶體時突然停止，從而降低了材料的導電性。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;這是一個繁瑣而耗時的過程，很難在工業(yè)規(guī)模上應用。</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，通過在藍寶石晶片上生長它們，藍寶石是一種具有六角形原子圖案的材料，它鼓勵二維材料以相同的單晶方向組裝。</p> <p>&nbsp;</p> <p>&ldquo;但沒有人在內(nèi)存或邏輯行業(yè)中使用藍寶石，&rdquo;Kim說。&ldquo;所有的基礎設施都是基于硅的。在半導體加工方面，需要使用硅片。&rdquo;</p> <p>然而，硅晶圓缺乏藍寶石的六角形支撐支架。當研究人員試圖在硅上生長二維材料時，結(jié)果是隨意合并的晶體隨機拼湊，形成許多阻礙導電的晶界。</p> <p>&nbsp;</p> <p>&ldquo;在硅上生長單晶二維材料幾乎是不可能的，&rdquo;Kim說。&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>該團隊的新型&ldquo;非外延單晶生長&rdquo;不需要剝離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，生長成二維晶體方向。如果放任不管，每個&ldquo;核&rdquo;或晶體的種子將在硅片上以隨機的方向生長。但是Kim和他的同事們找到了一種方法，使每個生長的晶體在整個晶圓上形成單晶區(qū)域。</p> <p>&nbsp;</p> <p>為了做到這一點，他們首先在硅片上覆蓋了一個&ldquo;面具&rdquo;&mdash;&mdash;一種二氧化硅涂層，他們把它做成小口袋，每個口袋都設計用來捕獲晶體種子。然后，他們在掩膜晶圓上流動原子氣體，這些原子氣體進入每個口袋，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;這是一個非常令人震驚的結(jié)果，&rdquo;Kim說，&ldquo;即使二維材料和硅片之間沒有外延關系，到處都是單晶生長。&rdquo;</p> <p>&nbsp;</p> <p>利用他們的掩蔽方法，該團隊制造了一個簡單的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>他們還將該方法應用于設計多層設備。在硅片上覆蓋有圖案的掩模后，他們種植一種2D材料來填充每個正方形的一半，然后在第一層上種植第二種2D材料來填充其余的正方形。結(jié)果是每個方格內(nèi)都有超薄的單晶雙層結(jié)構(gòu)。Kim說，未來，多種2D材料可以以這種方式生長和堆疊在一起，從而制成超薄、柔性和多功能的薄膜。</p> <p>&nbsp;</p> <p>Kim說:&ldquo;到目前為止，還沒有辦法在硅片上以單晶形式制造2D材料，因此整個社區(qū)一直在努力在不轉(zhuǎn)移2D材料的情況下實現(xiàn)下一代處理器。&rdquo;&ldquo;現(xiàn)在我們已經(jīng)完全解決了這個問題，有了一種方法來制造小于幾納米的設備。這將改變摩爾定律的范式。&rdquo;</p> <p>這項研究得到了美國國防高級研究計劃局、英特爾、IARPA MicroE4AI項目、MicroLink設備公司、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，不代表指南者留學態(tài)度觀點。</p> </blockquote>