後硅時代，這種材料被看好_風聞
半导体行业观察-半导体行业观察官方账号-专注观察全球半导体最新资讯、技术前沿、发展趋势。2020-12-25 15:29
**如果説2004年石墨烯樣品的成功製備是二維材料的第一把火，那麼如今石墨烯以外的其他穩定材料將成為“第二把鑽研後硅時代的火”。**研究人員説，超緊湊，高性能的電子芯片可以克服傳統集成電路面臨的挑戰，並無限期地維持摩爾定律。為了創建這些高性能芯片，研究人員將利用相對較新且前景廣闊的二維（2D）材料。
在過去的十年中，二維材料引起了令人難以置信的興趣。2D材料的興起始於2004年石墨烯樣品的成功製備。特別是觀察到的高載流子遷移率提高了人們的期望，即石墨烯可能成為FETs的完美通道材料，並將成為傳統半導體材料的繼任者。然而，在石墨烯晶體管研究的早期熱情高漲之後，人們清楚地認識到，由於石墨烯不具備適當的場效應晶體管運行所必需的帶隙，它將無法滿足這些高期望。就在晶體管界對石墨烯的興趣開始消退之際，受石墨烯成功製備的啓發，研究人員深入研究了獲得石墨烯以外穩定二維材料的各種選擇，二硫化鉬（MoS2）和二硫化鎢（WS2）等新的面向未來電子產品的2D晶體管的材料正在大受歡迎。
2D材料前景可期
我們都知道，芯片製造主要分為兩個部分：前端部分由工藝（其中許多工藝需要高温）組成，這些工藝會改變硅本身，例如注入摻雜劑以定義晶體管的各個部分；後端部分建立了許多互連層，這些互連層將晶體管連接在一起以形成電路並提供電源。
隨着傳統晶體管縮放越來越困難，工程師一直在尋找向互連層添加功能的方法。但單單使用普通的硅工藝以及做不到這一點，因為所涉及的熱量會損壞器件及其下方的互連。因此，這些方案中的許多方案都依賴於可以在相對較低的温度下製成器件的材料。
因此2D材料成為各大研究機構的突破口，二維材料往往比傳統材料要靈活得多，這使其非常適合最新的電子應用，例如柔性顯示器。在2D電子材料中，最著名的當然是石墨烯，它是一種六角形蜂窩狀碳片，具有出色的熱電傳導性，奇數的光學功能以及令人難以置信的機械強度。但是作為製造晶體管的物質，石墨烯尚未得到廣泛的應用。因為石墨烯缺乏帶隙，而帶隙正是使材料成為半導體的關鍵特性。
取而代之的是，科學家和工程師們一直在探索過渡金屬二鹵化物的宇宙，它們的化學式均為MX2。它們由十幾種過渡金屬（M）中的一種以及三種硫屬元素化物（X）中的一種組成：硫，硒或碲。二硫化鎢（WS2），二硒化鉬（MoS2）和其他幾種可以在單原子層中製成（與石墨烯不同）的天然半導體。這些材料使得在硅之後，我們將能夠一直縮小晶體管的尺寸，直至達到原子薄的組件。
Imec認為，用2D材料製成的設備值得我們和全球其他研究人員投入其中的所有科學和工程工作，因為它們可以消除當今晶體管的最大問題之一，短溝道效應。
金屬氧化物半導體場效應晶體管（MOSFET）是所有數字產品中的一種設備，它由五個基本部分組成：源極和漏極、連接它們的通道區域、柵極電介質，其一側或多側覆蓋溝道，以及與電介質接觸的柵電極。在柵極上相對於源極施加電壓會在溝道區域中形成一層移動電荷載流子，從而在源極和漏極之間形成導電橋，使電流流動。
但是，隨着通道越來越小，即使柵極上沒有電壓，電流也會越來越多地流經通道，這會浪費功率。從20世紀的平面設計向當今最先進的處理器中使用的FinFET晶體管結構的轉變是一種嘗試，它通過使溝道區域更薄並使柵極在更多的側面圍繞起來，來抵消這種重要的短溝道效應。
Imec認為，某些2D半導體可以通過替換設備通道中的硅來規避短通道效應。2D半導體提供了非常薄的溝道區域-如果僅使用一層半導體，則其厚度將與單個原子一樣薄。由於電流流動的這種受限路徑，當設備即將關閉時，電荷載流子幾乎沒有機會溜走。這意味着該晶體管可以繼續縮小，而不必擔心短溝道效應的後果。
使用2D半導體代替某些其他候選半導體的一個特殊優勢是可能構建p型（載帶正電荷）和n型（載帶電子）器件，這是CMOS邏輯的必要條件。CMOS電路是當今邏輯的基礎，因為理想情況下，它們僅在從一種狀態切換到另一種狀態時才消耗功率。
2D材料的最新研究進展
在後硅電子時代，在用原子厚的二維材料製造晶體管，專家認為2D半導體如二硫化鉬（MoS2）和二硫化鎢（WS2）可能更適合這項工作。
現在，通過將石墨烯和二硫化鉬結合，研究人員已經製造出一種晶體管，其工作電壓為原來的一半，電流密度比目前正在開發的任何最先進的2D晶體管都要高。這將大大降低基於這些2D設備的集成電路的功耗。
布法羅大學電子工程教授Huamin Li在IEEE國際電子器件會議(IEDM)上介紹了該器件，他説：“我們能夠充分利用2D材料的潛能，製造出在能源消耗和開關速度方面表現更好的晶體管。”
有趣的是，該設備利用了石墨烯缺乏帶隙的優勢。在晶體管中，柵電極上的電壓將電荷載流子注入到溝道區中，從而在源電極和漏電極之間形成導電路徑。常規的硅晶體管和2D MoS2晶體管利用了從源發出高能“熱”電子的優勢。對於漏極電流每增加十倍（60mV/十倍），這就設置了60毫伏的基本極限。
Huamin Li説，沒有帶隙的石墨烯是“冷”電子源。這意味着通過溝道區域將電子發送到漏極所需的能量更少。其結果是，設備電流可以更快地接通和關閉。
李説：“使用這種獨特的機制，我們能夠突破切換的基本極限。”該小組的1納米厚晶體管僅需29mV即可實現器件電流10倍的變化。“我們使用較少的電壓來切換器件並控制更多的電流，因此我們的晶體管更節能。”
研究人員通過在一層MoS2上疊加一層石墨烯來製作該裝置。這個堆疊區域作為晶體管通道，研究人員將柵極電極沉積在頂部。石墨烯單層充當源極，而二硫化鉬層作為漏極。
山東大學的研究人員也在IEDM上展示了他們的工作，他們説，其他冷源材料，如2D金屬和富電子的n摻雜半導體也可以用來打破60mV/十年的限制。通過仿真和建模，他們發現n摻雜石墨烯可以將電壓降低到24mV。即使簡單地使用n摻雜的硅，也可以將其降至33mV。
李説，他和他的同事選擇MoS2作為他們的概念驗證設備，因為這是研究人員長期瞭解和研究的2D半導體。這些小組和其他小組不限於此2D材料。他們還使用二硫化鎢（WS2）和黑磷等材料。布法羅的李説：“如果其他材料在我們的設備技術中能更好地工作，我們將進行探索。”
另據digitimes報道，今年三月台積電和交大攜手在《Nature》發表的在Cu(111)上長的單晶hBN(hexagonal BoronNitride；六角形氮化硼)。它的長晶難處在於由於hBN有兩種相，而其能量差極為微小，只有0.05eV，近乎簡併態(degenerate state)。相對於在長晶退火時的能量尺度0.1eV這區別太小，因此退火後晶體會呈現不同相的領域(domain)。解決的方法是先在藍寶石上長純粹的Cu(111)晶體，由於Cu在邊界有垂直的邊緣，這個邊緣有偏好的方向性，可以打破簡併態的對稱性，因此利用此邊界可以在Cu (111)上長成單晶的hBN。單晶的hBN可以置於MoS2與其上高k介電質HfO2之間，減少HfO2邊緣懸空鍵對於在MoS2中流動電子的誘捕和散射。
此外，台積電的研究人員也在IEDM上發表了有關碳納米管的進展，該團隊發明了一種生產更好的柵極電介質（gate dielectric）的工藝。十多年前，硅半導體工業通過切換到新的介電材料二氧化鉿（hafnium dioxide）解決了電流泄漏並浪費能量的問題。而碳納米管的問題在於，它們不允許在控制按比例縮小的設備所需的薄層中形成電介質。形成high-k電介質一直是一個大問題。
台積電的Matthias Passlack和UCSD的Andrew Kummel教授提出了一種解決方案，將HfO2的原子層沉積與沉積中間介電常數材料氧化鋁的新方法結合在一起。Al2O3是使用UCSD發明的納米霧工藝沉積的。像水蒸氣凝結形成霧一樣，Al2O3凝結成簇，覆蓋納米管表面。然後可以使用該界面電介質作為立足點開始HfO2的原子層沉積。
這兩種電介質的綜合電學特性使該團隊能夠構建一種器件，該器件的柵極電介質在寬度僅為15納米的柵極下的厚度小於4納米。最終的器件具有與硅CMOS器件相似的開/關電流比特性，並且仿真表明，即使具有較小柵極電介質的較小器件也能正常工作。
三星最近也在《Nature》發表了非晶相氮化硼(a-BN；amorphous BN)，用途是在金屬導線四周的介電質。a-BN的介電常數大、密度高，能減少金屬導線上的銅離子遷移。
位於比利時魯汶的Imec公司正把賭注壓在WS2上，該公司的研究人員認為，WS2應該能生產出有史以來性能最高的設備。兩年前，imec項目總監Iuliana Radu和她的團隊開發了一種將高質量的WS2單層放置在300mm硅片上的技術。他們現在報告説，他們可以在晶片規模上製造WS2晶體管。“這項工作為二維材料的工業應用鋪平了道路，”他們説。
令據eenewseurope的報道，瑞士EPFL的工程師已經開發出了一種芯片的生產技術，EPFL的納米級電子和結構實驗室（LANES）使用2D MoS2層在一個稱為浮柵場效應晶體管（FGFET）的設備中結合了存儲和邏輯。MoS2的電氣特性使其對FGFET中存儲的電荷特別敏感，這使LANES工程師能夠開發既可以用作存儲器存儲單元又可以用作可編程晶體管的電路。將其用於邏輯和內存非常適合於機器學習算法。這些晶體管已經在相機，智能手機和計算機的閃存系統中使用。
結語
電子應用2D材料的研究是一個新的領域，從第一個石墨烯、二硫化鉬和磷烯MOSFET分別於2007年、2011年和2014年被報道的事實可以看出。鑑於這段短暫的歷史，迄今為止其取得的成就是顯著的，人們也期待着進一步的進步。但是説實話，評估二維材料在電子領域的真正潛力是極其困難的。
但是業界能注意到2D材料的多樣性既是一件好事，也是一件壞事。對研究人員來説，2D材料是激動人心的科學的一個新的廣泛領域，這是一件好事；但也有一件壞事，那就是研究資金將遍佈多種材料。但資助和研究活動遲早需要集中在有限數量的有前途的2D材料上。
早在2014年，電氣與電子學教授Kaustav Banerje在一篇文章中就首次公開了將2D材料和3D集成實踐結合在一起可以使摩爾定律持續發展。總之，我們相信，某些2D材料最終會在電子領域得到應用，2D半導體將在未來的硅芯片領域佔據一席。