麻省理工学院的工程师在工业硅晶圆上生长“完美”的原子厚度材料

这项革命性的技术可以让芯片制造商生产硅基以外材料的下一代晶体管

原子沉积在涂有“掩模”的晶圆上（左），原子聚集在掩模的各个口袋中（中），原子生长成完美的2D单晶层

根据摩尔定律，自 1960 年代以来，微芯片上的晶体管数量每年翻一番。但预计这一轨迹很快就会趋于平稳，因为一旦由这种材料制成的器件低于一定尺寸，硅 - 现代晶体管的支柱 - 就会失去其电性能。

输入 2D 材料 - 精致的二维完美晶体片，薄如单个原子。在纳米尺度上，2D材料可以比硅更有效地传导电子。因此，对下一代晶体管材料的搜索一直集中在2D材料上，将其作为硅的潜在继承者。

但在电子行业过渡到2D材料之前，科学家们必须首先找到一种方法，在行业标准的硅晶圆上设计材料，同时保持其完美的晶体形式。麻省理工学院的工程师现在可能有一个解决方案。

该团队开发了一种方法，可以使芯片制造商通过在现有的硅和其他材料晶圆上生长2D材料来制造更小的晶体管。新方法是一种“非外延，单晶生长”的形式，该团队首次将其用于将纯净，无缺陷的2D材料生长到工业硅晶片上。

通过他们的方法，该团队用一种称为过渡金属硫族化合物（TMD）的2D材料制造了一个简单的功能晶体管，已知其在纳米尺度上比硅导电更好。

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基于2D半导体的高性能下一代电子设备，我们已经解锁了一种使用2D材料赶上摩尔定律的方法。”

Kim和他的同事在今天发表在《自然》杂志上的一篇论文中详细介绍了他们的方法。该研究的麻省理工学院合著者包括Ki Seok Kim，Doyoon Lee，Celesta Chang，Seunghwan Seo，Hyunseok Kim，Jiho Shin，Sangho Lee，Jun Min Suh和Bo-In Park，以及德克萨斯大学达拉斯分校，加州大学河滨分校，圣路易斯华盛顿大学和韩国各地机构的合作者。

水晶拼凑

为了生产2D材料，研究人员通常采用手动过程，通过该过程，从散装材料中小心地剥离原子薄片，例如剥掉洋葱层。

但大多数散装材料是多晶的，包含多个以随机方向生长的晶体。当一个晶体与另一个晶体相遇时，“晶界”充当电屏障。当遇到不同方向的晶体时，流过一个晶体的任何电子都会突然停止，从而抑制材料的导电性。即使在去除2D薄片后，研究人员也必须在薄片中搜索“单晶”区域 - 这是一个繁琐且耗时的过程，难以在工业规模上应用。

最近，研究人员发现了其他制造2D材料的方法，方法是将它们生长在蓝宝石晶片上 - 一种具有六边形原子图案的材料，鼓励2D材料以相同的单晶方向组装。

但是没有人在存储器或逻辑行业中使用蓝宝石，所有的基础设施都基于硅。对于半导体加工，你需要使用硅晶圆。

然而，硅晶片缺乏蓝宝石的六角形支撑支架。当研究人员试图在硅上生长2D材料时，结果是晶体的随机拼凑，这些晶体随意合并，形成许多阻碍导电性的晶界。

Kim表示，人们认为在硅上生长单晶2D材料几乎是不可能的，现在我们证明你可以。而我们的诀窍是防止晶界的形成。

种子袋

该团队新的“非外延，单晶生长”不需要剥离和搜索2D材料的薄片。相反，研究人员使用传统的气相沉积方法将原子泵送过硅晶片。原子最终沉淀在晶片上并成核，生长成二维晶体取向。如果放任不管，每个“原子核”或晶体的种子将在硅晶片上以随机方向生长。但是Kim和他的同事们找到了一种方法来对齐每个生长的晶体，以在整个晶圆上创建单晶区域。

为此，他们首先在“掩模”中覆盖硅晶片 - 一种二氧化硅涂层，他们将其图案化成微小的口袋，每个口袋都旨在捕获晶体种子。然后，它们穿过掩蔽的晶圆，将原子气体流入每个口袋，形成2D材料 - 在这种情况下，TMD。掩模的口袋将原子圈起来，并鼓励它们以相同的单晶方向组装在硅晶片上。

这是一个非常令人震惊的结果，即使2D材料和硅晶片之间没有外延关系，发现到处都有单晶生长。

通过他们的掩蔽方法，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。

他们还应用该方法来设计多层设备。在用图案掩模覆盖硅晶片后，他们生长了一种类型的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类型的2D材料以填充其余的正方形。结果是每个正方形内都有一个超薄的单晶双层结构。展望未来，多种2D材料可以以这种方式生长并堆叠在一起，以制造超薄，柔性和多功能薄膜。

到目前为止，还没有办法在硅晶圆上制造单晶形式的2D材料，因此整个社区一直在努力在不转移2D材料的情况下实现下一代处理器，现在麻省的科学家已经完全解决了这个问题，用一种方法制造出小于几纳米的设备。这将改变摩尔定律的范式。

这项研究得到了美国国防高级研究计划局，英特尔，IARPA MicroE4AI计划，MicroLink Devices，Inc.，ROHM公司和三星的部分支持。