工业硅片上长出“完美”二维超薄材料

来源:众壹云 发布日期:2023-01-19 13:00

工程师们通过将原子沉积在涂有“掩膜”的晶片上(左上),可以将原子聚集在掩膜的各个口袋中(中间),并鼓励原子生长成完美的2D单晶层(右下)。图片来源:麻省理工大学

工程师们通过将原子沉积在涂有“掩膜”的晶片上(左上),可以将原子聚集在掩膜的各个口袋中(中间),并鼓励原子生长成完美的2D单晶层(右下)。图片来源:麻省理工大学

据发表在最新一期《自然》杂志上的论文,美国麻省理工学院工程师开发出一种“非外延单晶生长”方法,在工业硅晶圆上生长出纯净的、无缺陷的二维材料,以制造越来越小的晶体管。

根据摩尔定律,自20世纪60年代以来,微芯片上的晶体管数量每年都会翻一番。但这一趋势预计很快就会趋于平缓,因为用硅制成的器件一旦低于一定的尺寸,就会失去其电性能。

在纳米尺度上,二维材料可比硅更有效地传导电子。因此,寻找下一代晶体管材料的重点是将二维材料作为硅的潜在替代品。但在此之前,科学家们必须首先找到一种方法,在保持其完美结晶形态的同时,在工业标准硅片上设计这种材料。

现在,麻省理工学院研究团队用二维材料过渡金属二硫化物(TMD)制造了一种简单的功能晶体管,这种材料在纳米尺度上比硅具有更好的导电性。

为生产二维材料,研究人员通常采用一种手工工艺,即从大块材料中小心地剥离原子般薄的片,就像剥洋葱层一样。但大多数块状材料是多晶体,包含多个随机方向生长的晶体。当一种晶体与另一种晶体相遇时,“晶界”起到了电屏障的作用。任何流过一个晶体的电子在遇到不同方向的晶体时都会突然停止,从而降低材料的导电性。即使在剥离二维薄片之后,研究人员也必须搜索薄片中的“单晶”区域,这是一个繁琐且耗时的过程,很难应用于工业规模。

研究人员通过在蓝宝石晶圆上生长这些材料找到新方法。蓝宝石是一种具有六角形原子图案的材料,可促使二维材料以相同的单晶方向组装。新的“非外延单晶生长”方法不需要剥离和搜索二维材料的薄片,并可使晶体向同一方向生长。

研究小组据此制造了一个简单的TMD晶体管,其电性能与相同材料的纯薄片一样好。研究人员表示,未来或可制造出小于几纳米的器件,这将改变摩尔定律的范式。

(来源:《科技日报》 2023-01-19 04版 国际)

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