原子厚度的二維材料,晶體管尺寸進(jìn)一步縮小的新方法

日本采取對(duì)韓出口限制措施后，韓國(guó)國(guó)內(nèi)正積極尋求日本氟化氫替代方案。三星電子與SK海力士等半導(dǎo)體公司緊急派遣采購(gòu)小組以尋找氟化氫廠商。除了海外企業(yè)外，也努力尋求本土企業(yè)以實(shí)現(xiàn)供應(yīng)國(guó)家多元化。

近些年，因?yàn)楣に嚨南拗疲?a target="_blank">晶體管尺寸有關(guān)的摩爾定律也越來(lái)越多質(zhì)疑會(huì)被打破。不過(guò)現(xiàn)在，奧地利的研究人員正在研究半導(dǎo)體領(lǐng)域下一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)：他們的突破很可能為晶體管結(jié)構(gòu)進(jìn)一步縮小打開大門。

幾十年來(lái)，微芯片中的晶體管變得越來(lái)越小。大約每?jī)赡?，商用芯片上的晶體管數(shù)量可能翻一倍——這種現(xiàn)象也被稱為“摩爾定律”。但是近些年，這一定律再?zèng)]有見證新的提升，因?yàn)樾⌒突瘞缀踹_(dá)到自然極限，在目前研究的幾納米范圍內(nèi)，人們所面臨的已經(jīng)是一個(gè)全新的問(wèn)題了。

不過(guò)，現(xiàn)在出現(xiàn)了一種可能實(shí)現(xiàn)晶體管尺寸進(jìn)一步縮小的新方法——使用原子厚度的二維（2D）材料。借助由氟化鈣制成的新型絕緣層，維也納技術(shù)大學(xué)（TU）現(xiàn)已成功制作出一種超薄的晶體管。與之前的技術(shù)相比，這種技術(shù)制成的晶體管具有更為優(yōu)異電氣性能，同時(shí)也因?yàn)楹穸缺《蟠蟮販p小了尺寸。

近年來(lái)，科學(xué)界對(duì)晶體管制造所需半導(dǎo)體材料的研究取得了很大進(jìn)展。與此同時(shí)，超薄半導(dǎo)體逐漸也可以只用幾個(gè)原子層厚的2D材料來(lái)制造。不過(guò)，這些都還不足以用來(lái)制造那種尺寸非常小的晶體管?！盀榱酥圃爝@種非常小的晶體管，除了需要制造出超薄半導(dǎo)體外，還需要制造出一種超薄絕緣體，”維也納技術(shù)大學(xué)微電子研究所的Tibor Grasser教授解釋道。

這可以用晶體管基本結(jié)構(gòu)來(lái)解釋：晶體管結(jié)構(gòu)上包括源極、柵極和漏極，源極和漏極間要產(chǎn)生電流，則需要在中間的柵極和襯底間施加電壓以形成電場(chǎng)，這里為了能在施加電壓后形成電場(chǎng)，柵極和半導(dǎo)體襯底之間就需要一層絕緣層。“目前研究領(lǐng)域一直在嘗試的晶體管實(shí)驗(yàn)，都是基于超薄半導(dǎo)體搭配普通厚度的絕緣層，”Grasser解釋道，“但是這樣做并沒有什么優(yōu)勢(shì)——首先，晶體管會(huì)因?yàn)楹衅胀ê穸鹊慕^緣層而呈現(xiàn)很大的尺寸，這樣就沒辦法談小型化了；第二點(diǎn)也很明顯，那就是半導(dǎo)體本來(lái)就很敏感的電子特性會(huì)受到這種絕緣層表面的干擾?！?/p>

針對(duì)這種情況，Grasser團(tuán)隊(duì)的博士后Yury Illarionov采用了一種新穎的方法：“如果我們既明確定義半導(dǎo)體襯底面，同時(shí)又明確定義絕緣層面（比如離子晶體），那么就可以制作出一種尺寸只有幾納米的晶體管。這種晶體管的電學(xué)特性還會(huì)得到改善，因?yàn)殡x子晶體具有完全規(guī)則的表面，而這樣的表面不會(huì)出現(xiàn)可能干擾電場(chǎng)的單個(gè)突出原子?！皞鹘y(tǒng)材料在第三維度（即垂直方向）上具有共價(jià)鍵，比如一些原子通過(guò)其底部和頂部的共價(jià)鍵和相鄰材料的原子結(jié)合，”Grasser解釋說(shuō)，“而2D材料和離子晶體的情況就與此不同，因此它們不會(huì)影響相鄰材料的電學(xué)性能?！?/p>

研究人員選擇一種由原子厚度的氟化鈣組成的絕緣層。該層由圣彼得堡的Joffe研究所制作，該期刊報(bào)道的第一作者Yury Illarionov在去維也納工業(yè)大學(xué)之前也做過(guò)此類研究。不過(guò)，晶體管本身是在托馬斯·穆勒教授的維也納大學(xué)光子學(xué)研究所制作完成的，隨后還在微電子研究所進(jìn)行了相關(guān)測(cè)試。

雖然這只是一個(gè)原型產(chǎn)品，不過(guò)它還是超出了所有人的預(yù)期：“近年來(lái)，我們一再收到各種不同的晶體管來(lái)研究它們的技術(shù)特性 - 但我們從未見過(guò)設(shè)計(jì)有氟化物絕緣層的晶體管，”Grasser說(shuō)，“比較它們的電氣特性，該原型產(chǎn)品完全超過(guò)以往材料的測(cè)試結(jié)果。

現(xiàn)在，這些科學(xué)家們想進(jìn)一步研究哪種絕緣層和半導(dǎo)體的組合效果會(huì)最好。這項(xiàng)技術(shù)可能還需要幾年的時(shí)間才能真正用于商用計(jì)算機(jī)芯片，因?yàn)椴牧蠈拥闹圃旃に嚾杂写倪M(jìn)?！安贿^(guò)，毫無(wú)疑問(wèn)，我們認(rèn)為由二維材料制成的晶體管將是未來(lái)研究的重要方向，”Grasser說(shuō)，“從科學(xué)的角度來(lái)看，很明顯這里提出的氟化物是目前絕緣層的最佳解決方案。

另外，對(duì)于計(jì)算機(jī)行業(yè)而言，這種更小，更快的晶體管將會(huì)支撐這個(gè)行業(yè)的下一次突破。