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    延续摩尔定律,二维晶体管潜力如何?

    发布者:深铭易购     发布时间:2019-04-17    浏览量:84

    小编认为,如果能解决三个主要的研究问题,那么超薄晶体管有望带来更强大的计算机。

          自20世纪60年代以来,可以容纳在电子电路上的元件数量每两年翻一番。这种趋势被称为摩尔定律。随着晶体管变得越来越小,可以容纳在硅芯片上的元件数量正在增加。但就目前而言,硅晶体管正在接近其物理极限。只有开发新型材料和设备才能释放下一代计算机的潜力。

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          所有基于块(三维)半导体的晶体管都面临同样的问题,包括用锗、砷化镓和磷酸铟制成的晶体管。电子一般难以在通道的纳米尺度厚度内迁移,通道表面的缺陷也会造成电荷散射,减慢电子的流动。

           单原子层的二维材料有望进一步减小晶体管的尺寸。由于其有限的“垂直”尺寸和光滑的表面没有缺陷,电子不容易散射,电荷可以在其中相对自由地流动。有希望的材料包括过渡金属硫化物(如二硒化钨和二硫化钼)。

          然而,这种研究还处于起步阶段。为了满足工业上对实际设备的需求,首先必须解决三个根本性的挑战。

    三大挑战

           准确预测特征。首先,我们需要找到合适的二维晶体管材料。现有1000多种候选材料,其电子特性差异很大。从理论上讲,通过实验,电子特性将比一个接一个地快。但是,准确预测材料行为非常困难。电子能量取决于晶格中原子的特定性质和排列。真实材料的这些属性往往比理想化的模型更复杂。此外,还必须考虑电子和原子之间的相互作用,近似也会增加不确定性。

           结果表明,二维层状材料中电子的迁移率没有预期的高。科学家们已经知道这是由于电子散射引起的,但对其作用过程知之甚少。例如,晶格振动是如何减缓电子流动的?基板和保护膜是相邻的材料层,以及附近的电荷和缺陷。所有这些问题都需要物理学家考虑。

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           生长和试验样品。有希望的候选材料需要进行实验测试。样品的质量是非常重要的,它必须大到足以被纳入最先进的晶体管和简单的参考电路。缺陷和晶界影响电荷流动。因此,研究者需要知道如何以整齐排列的晶体生长出均匀的二维材料层,以及如何通过控制层的厚度来调整电子性质。

          制备二维晶体片层有两种方法。首选的方法是通过真空室蒸气原子沉积。另一种方法是剥离,包括机械剥离,它产生的晶格缺陷较少,但在实际设备中使用的产品太少,以及溶液脱落。

           在晶体形成过程中,衬底会影响其生长。三维材料将与底层紧密结合,严格遵循其原子几何学.相比之下,二维材料和衬底的结合并不是很接近,但仍然会受到影响。例如,生长在蓝宝石上的MoS 2晶体向两个方向生长(0度和60度)。其他取向较低的材料的晶界与拼图中的接头相似,有些部分最终会超过单层的厚度。


           二维材料需要化学和热稳定性。例如,磷化氢和硒化铟在几小时内在周围大气中迅速分解。添加保护膜(如氧化物)有助于保护材料,但需要考虑的界面也会增加。

           最后,晶体管需要能够以可靠的方式大规模制造。如今,硅基板和二氧化硅绝缘体在工业中普遍使用,但不能用于定向生长,在高温下其电气性能会下降,而气相原子沉积必须在高温(600–1000°c)下完成条件。因此,研究人员需要在能承受这种高温但非常昂贵的碳化硅或蓝宝石基板上生长二维材料,然后转移到硅基板,最终将其融入设备中。分子束外延(原子束在真空中喷洒)是另一种在相对较低的温度(300°c以下)下生长二维材料的方法,但这种方法比较慢:样品可能需要几天时间才能生长,其产量和重复性也有待进一步提高。


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          评估设备性能。应在同一框架内评估不同二维材料的性能,因为在不同情景或实验室中报告的测量可能不一致。基板、过渡层、电子接触和制造工艺的精确组成和结构是非常重要的。每种类型的设备都有自己的要求。例如,用于逻辑开关的晶体管必须快速切换,而节能晶体管必须在低电压下工作。

          学术界和工业界的研究人员应共同制定参照美国国家可再生能源实验室制定的太阳能电池效率测量标准的测量标准。标准应规定设备的结构、金属接触标准和测量程序等。

    合作与经费

           半导体芯片产业规模接近5000亿美元,应该拨出资金来寻找上述问题的答案;各级政府也不例外。目前,研究最为深入的二维材料是石墨烯。欧盟委员会10亿欧元“石墨烯旗舰”研究项目正在努力开发石墨烯的应用和批量生产方法。此外,许多其他二维材料仍处于理论研究阶段。

          电子工程在探索逻辑、存储和连接材料的发展时,应更加重视二维材料。一个例子是由美国国家科学基金会资助的“二维原子层研究和工程”(2-DAG)。半导体研究公司(Semiconductor Research Corporation)是美国北卡罗来纳州的一个非营利研究联盟,许多类似的组织应该设立更多的项目来促进二维材料的发展。

          目前还不确定二维半导体是否能带来晶体管商机,但它确实是继续摩尔定律的最佳候选者之一。



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