摘要：麻省理工学院的工程师开发了一种“非外延单晶生长”方法，可让芯片制造商在现有的硅晶片和其他材料上生长2D材料，以制造越来越小的晶体管，并在纳米尺度上实现优于硅的导电性能。



根据摩尔定律（Moore’s Law），微芯片上的晶体管数量自20世纪60年代以来每年翻一番。但这一轨迹预计将很快趋于平稳，因为一旦由这种材料制成的器件降至一定尺寸以下，现代晶体管的支柱——硅（Si）就会失去其电气特性。

进入2D材料——精细的二维完美晶体薄片，薄如单个原子。在纳米尺度上，2D材料传导电子的效率远高于硅。因此，对下一代晶体管材料的研究集中在2D材料上，作为硅的潜在替代品。但在电子行业可以过渡到2D材料之前，科学家必须首先找到一种方法，在工业标准硅片上设计材料，同时保留它们完美的晶体形式。

麻省理工学院的工程师现在可能有了解决方案。该团队开发了一种方法，使芯片制造商在现有的硅晶片和其他材料上生长出2D材料，可用来制造越来越小的晶体管。新方法是“非外延单晶生长”的一种形式，该团队首次使用这种方法在工业硅片上生长纯的、无缺陷的2D材料。

通过他们的方法，该团队用一种叫做过渡金属二硫族化物(TMDs)的2D材料制造了一种简单的功能晶体管，这种材料在纳米尺度上的导电性能优于硅。

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出基于2D半导体的高性能下一代电子器件。我们已经发现了一种利用2D材料追赶摩尔定律的方法。”


晶体形成


为了生产2D材料，研究人员通常采用手工工艺，从大块材料中小心地剥离一层原子般薄的薄片，就像剥洋葱一样。

但是大多数块状材料是多晶的，包含多个随机取向生长的晶体。当一种晶体与另一种晶体相遇时,“晶界”起着电屏障的作用。任何流经一个晶体的电子在遇到不同取向的晶体时都会突然停止，从而降低材料的导电性。即使剥离2D薄片后，研究人员还必须在薄片中寻找“单晶”区域——这是一个繁琐耗时的过程，很难应用于工业规模。

最近，研究人员发现了制造2D材料的其他方法，通过在蓝宝石晶片上生长它们——这种材料具有六边形的原子图案，这种图案有利于2D材料以相同的单晶取向组装。

“但是没有人在内存或逻辑工业中使用蓝宝石，”Kim说。“所有的基础设施都基于硅。对于半导体加工，你需要使用硅片。”

然而，硅晶片缺少蓝宝石的六角形支撑架。当研究人员试图在硅上生长2D材料时，结果是随机融合的晶体，形成无数阻碍导电性的晶界。

“人们认为在硅上生长单晶2D材料几乎是不可能的，”Kim说。“现在我们证明给你看，而我们的诀窍就是防止晶界的形成。”


种子晶体


该团队的新“非外延单晶生长（nonepitaxial, single-crystalline growth）”不需要剥离和搜索2D材料薄片。相反，研究人员使用传统的气相沉积方法将原子泵过硅片。原子最终落在晶片上并成核，生长成二维晶体取向。如果不去管它，每一个“晶核”，或者说一个晶体的种子，都会在硅片上以随机的方向生长。但Kim和他的同事们找到了一种方法，将每个生长的晶体排列起来，在整个晶片上形成单晶区域。

为了做到这一点，他们首先在硅片上覆盖了一层“掩膜”，这是一层二氧化硅涂层，他们将其图案化成微小的口袋，每个口袋都被设计成捕获一个晶体的晶种。然后，他们让原子气体流过被掩蔽的晶片，这些原子气体进入每个口袋，形成2D材料——在这种情况下，就是TMD。掩模的口袋将原子围在一起，并鼓励它们以相同的单晶方向在硅晶片上组装。

“这是一个非常令人震惊的结果，”Kim说，“到处都是单晶生长，即使2D材料和硅晶片之间没有外延关系。”

利用他们的掩蔽方法，该团队制造了一个简单的TMD晶体管，并表明其电气性能与相同材料的纯薄片一样好。

他们还将该方法应用于多层器件的设计。在用有图案的掩模覆盖硅片后，他们生长一种2D材料来填充每个正方形的一半，然后在第一层上生长第二种2D材料来填充其余的正方形。结果是每个正方形内都有一个超薄的单晶双层结构。Kim说，展望未来，多种2D材料可以以这种方式生长和堆叠在一起，制成超薄、柔性和多功能的薄膜。

“到目前为止，还没有办法在硅片上制造单晶形式的2D材料，因此整个社区都在努力实现下一代处理器而不转移2D材料，”Kim说。“现在我们已经完全解决了这个问题，有了一种制造小于几纳米器件的方法。这将改变摩尔定律的范式。”

查询进一步信息，请访问英文网站http://news.mit.edu/2023/2d-atom-thin-industrial-silicon-wafers-0118。（镨元素）