TMD或將取代Si，下一代半導體材料來襲_風聞

電子發燒友網報道（文/黃山明）1965年，英特爾聯合創始人戈登·摩爾提出了著名的“摩爾定律”，它預測每隔18至24個月，芯片上可容納的晶體管數量將翻倍，從而帶來性能提升或成本下降。但隨着晶體管尺寸逼近物理極限，進一步縮小變得越來越困難，這時就需要新材料的出現，來作為傳統硅基芯片的替代品，從而延續摩爾定律。

據外媒報道，美國能源部普林斯頓等離子體物理實驗室（PPPL）研究人員正在研發下一代芯片，這種芯片具有更小、更薄、更高效的特點，更值得注意的是，該芯片使用的材料為過渡金屬二硫化物（Transition Metal Dichalcogenides，TMD）而非傳統的硅（Si）。

硅基芯片的缺陷

1954年，貝爾實驗室的約翰·巴丁、沃爾特·布拉頓和威廉·肖克利因發明晶體管而獲得諾貝爾物理學獎。這一發明不僅改變了整個電子產業的發展軌跡，還奠定了現代信息社會的基礎。並且，晶體管的發明也被譽為20世紀最重要的發明之一。

不過在最開始，晶體管主要使用鍺作為半導體材料。一方面受限於當時的技術，鍺相對於硅來説更容易進行提純和加工。鍺的熔點比硅低，這使得它在製造過程中更容易處理。此外，鍺的摻雜技術在當時更為成熟，能夠更可靠地控制材料的導電性能。

同時鍺的禁帶寬度比硅小（鍺的禁帶寬度約為0.67 eV，而硅的禁帶寬度約為1.12 eV）。這意味着鍺在室温下就能容易地產生自由載流子（電子和空穴），從而更容易導電。這對於早期的晶體管技術來説非常重要，因為它使得鍺在室温下就可以有效地工作，而不需要額外的加熱或其他條件。

並且在晶體管發明之前，鍺已經被廣泛研究用於其他電子應用，例如點接觸整流器。這種研究基礎使得鍺成為自然的選擇，因為科學家和工程師對鍺的性質已經有了一定程度的瞭解。

但鍺作為半導體材料也有其明顯的缺點，主要是在温度上升時其性能會下降。鍺的電阻率隨温度升高而迅速下降，這意味着在高温環境下，鍺基晶體管可能會變得不穩定。

隨着1959年羅伯特·諾伊斯和安迪·格魯夫等人在仙童半導體公司改進了集成電路的設計，採用平面工藝，使得硅成為製造集成電路的主要材料。並在隨後的產業中，硅慢慢取代了鍺。

但在發展半個世紀後，當前的硅基芯片已經開始面臨着一些顯著的問題，大多與物理極限、經濟型和環境因素有關。如隨着晶體管尺寸的減小，量子效應如隧道效應開始顯現，導致電流泄漏和信號干擾，這降低了芯片的性能和可靠性。同時小尺寸晶體管會產生更多的熱量，散熱問題變得越來越嚴重，這限制了芯片的性能和密度。

如果使用其他材料來替代硅基製作芯片，就有可能解決這些問題。近幾年來科研人員探索了許多新的材料如砷化鎵（GaAs）、磷化銦（InP），可以在高頻和高功率應用中表現出優勢，而銦鎵鋅氧化物（IGZO），可以用於製造透明、柔性電子器件。

其中，TMD包括MoS2在內的一系列化合物，因其出色的光電、機械和熱性能，被廣泛視為後硅基半導體時代延續摩爾定律的理想候選材料之一。

芯片材料從三維走向二維

所謂的TMD是一類具有MX2型結構的半導體材料，其中M代表過渡金屬（如Mo、W等），X代表硫屬元素（如S、Se、Te）。這類材料因其獨特的能帶結構、半導體或超導性質以及優秀的機械性能等，在納米電子器件和光電子學等領域具有廣闊的應用前景。特別是單層的TMD，例如MoS2，因其直接帶隙的特性在光電探測領域顯示出巨大的潛力。

據美國PPPL的研究人員透露，TMD可以薄至三個原子，靠外的兩層可以採用硫族元素，或者也可以稱為氧族元素。而中間的那層，可以用任何的過渡金屬替代。

由於這種材料太薄，導致任何一層出現確實或者多出原子等微小的變化，都會影響到材料的性能。儘管這種變化被稱為“缺陷”，但並不意味着這種“缺陷”是有害的。

研究人員表示，可以根據缺陷的類型和性質來獲得有益的材料，例如可以在材料中產生過量的電子，讓其成為n型（即具有更多電子的材料）或產生更多的空穴形成p型（即具有更多空穴或正電荷的材料）。

在計算機芯片中使用n型和p型材料的組合可以提供更好的導電性，當前的一些半導體技術是通過摻雜來獲得類似的特性。

並且與硅半導體相比，TMD具有可調節的帶隙，可通過改變層數來控制，最薄時只有一層，高度僅有三個原子。這也意味着相比過去的硅基材料，TMD可以使用不同的材料來製造，既靈活又耐用。

早在2021年，南京工業大學先進材料研究院黃維院士、閆家旭研究員團隊便發表了相關論文，其中提到通過堆垛工程，可以在原子水平上調控TMD的光電性質，為後摩爾時代新器件的設計提供新的維度。開展二維材料堆垛調控研究將為後摩爾時代新器件的設計提供新的維度，從源頭上解決集成工藝的兼容性問題，在芯片的基礎問題研究和助推我國半導體芯片自主發展兩方面都具有重要意義。

當然，儘管這種材料非常夢幻，但研究仍處於相對基礎的階段，許多材料尚未被深入研究或合成，實際應用中還存在着穩定性、可製造性以及與現有硅基技術的兼容性等問題。

此外，TMD的電子器件性能，如載流子遷移率等，雖然具有潛在的優勢，但目前尚未達到可以完全取代硅的水平。

從當前芯片的發展路徑來看，台積電已經朝着1nm製程芯片進發，而其他公司也相繼推出了2036年前亞納米晶體管的發展路線圖，而英特爾已經在研究用TMD製造晶體管。PPPL的研究院認為，到2030年，有望擁有一個可用於設備的真正TMD晶體管。

總結

硅長期以來一直是集成電路製造的主要材料，但隨着技術節點的不斷縮小，硅基芯片遇到了物理極限和經濟效率問題。這就需要有新的材料來替代硅從而延續摩爾定律，TMD就是其中之一，其在理論上具備延續摩爾定律的潛力，但要實現這一點，還需要在材料合成、器件加工和性能優化等方面取得更多突破性進展。隨着科研工作者的不斷努力，TMD在未來半導體技術中的應用前景是值得期待的。

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