美国纽约大学：二维半导体器件制造工艺取得重要突破！

背景

目前，以硅为代表的传统半导体材料正在面临严峻挑战。通过原理创新、结构改善、工艺进步，科研人员很难再大幅度提升硅基半导体器件的总体性能。“后摩尔时代”已经悄然到来。作为有望取代硅基半导体材料的新一代半导材料，近年来二维半导体的研究进展迅猛。

石墨烯凭借机械强度高、导电导热性好、轻薄、柔性、透明等优势，一度被誉为“新材料之王”，也让二维材料成为了备受瞩目的热点。遗憾的是，石墨烯中独特的碳原子排列，虽然有利于电子轻松地高速流动，但也使之不适合作为半导体。石墨烯没有带隙，无法选择”打开“或者”关闭“电流，而这种二进制开关机制正是现代电子器件的基础。

不过除了石墨烯之外，越来越多的二维材料被人类发现并研究，其中也不乏可以作为半导体的二维材料，例如过渡金属硫族化合物、黑磷等。科学家们已经通过这些二维材料创造出诸多半导体器件，例如：

然而，在二硫化钼（MoS2）为代表的二维半导体器件的制造工艺中，采用电子束光刻技术，将金属电极纳米刻画到这种原子级二维材料的层上，目前会产生一些问题，导致“非欧姆接触”与“肖特基势垒”。

创新

近日，美国纽约大学工学院化学与生物分子工程系教授 Elisa Riedo 领导的团队，报告了原子级薄度处理器制造工艺中的一项重要突破。这一发现不仅将对纳米芯片制造工艺产生深远影响，而且也将鼓舞全世界各个实验室中 探索 将二维材料应用于更小更快的半导体的科学家们。

团队将他们的科研成果发表在最近一期的《自然电子学（Nature Electronics）》期刊上。

技术

他们演示的这种刻蚀技术，采用了加热至100摄氏度以上的探针，超越了在二硫化钼等二维半导体上制造金属电极的普遍方法。科学家们相信，这种过渡金属属于有望替代硅应用于原子级微型芯片的材料。团队开发的新制造方法，称为“热扫描探针刻蚀技术（t-SPL）”，相比于目前的电子束光刻技术（EBL）具有一系列优势。

价值

首先，热刻蚀技术显著提升了二维晶体管的质量，抵消了肖特基势垒。肖特基势垒阻碍了二维衬底与金属交界处的电子流动。其次，不同于EBL，热刻蚀技术使芯片制造者可轻松获取二维半导体图像，然后在期望的位置刻画电极。再次， t-SPL 制造系统有望显著减少初始投入以及运营成本：它们通过在一般环境条件下的运作大幅降低功耗，无需生成高能电子以及超高真空。最后，这种热加工方法很容易通过采用“并行”的热探针来扩展，从而应用于工业生产。

Riedo 表示，她希望 t-SPL 将许多加工过程带出稀缺的净室，带入个人实验室。在净室中，研究人员们必须为这些昂贵的设备争取时间；而在个人实验室中，他们将迅速地推进材料科研与芯片设计。3D打印机这个先例，就是一个很好的类比。有朝一日，这些低于10纳米分辨率的 t-SPL 工具，在普通环境条件下，依靠标准的120伏电源运行，将遍及像她的实验室一样的各个研究实验室。

参考资料

【1】https://engineering.nyu.edu/news/breakthrough-reported-fabricating-nanochips

【2】https://www.nature.com/articles/ncomms8702

【3】Xiaorui Zheng, Annalisa Calò, Edoardo Albisetti, Xiangyu Liu, Abdullah Sanad M. Alharbi, Ghidewon Arefe, Xiaochi Liu, Martin Spieser, Won Jong Yoo, Takashi Taniguchi, Kenji Watanabe, Carmela Aruta, Alberto Ciarrocchi, Andras Kis, Brian S. Lee, Michal Lipson, James Hone, Davood Shahrjerdi, Elisa Riedo. Patterning metal contacts on monolayer MoS2 with vanishing Schottky barriers using thermal nanolithography . Nature Electronics, 20192 (1): 17 DOI: 10.1038/s41928-018-0191-0

手机和平板电脑可以像报纸一样卷起来，隐形眼镜中集成的屏幕能够直接读取信息......这些听起来非常科幻的场景，在新型二维材料的推动下，正不断趋于现实。

二维材料 是一种具有单个或几个原子层厚度的新型晶体材料，目前已经发展成为一个完整的材料体系，涵盖了从导体、半导体、超导体到绝缘体，铁电、铁磁、反铁磁等各种类型。高质量的二维材料在 探索 新的物理现象及进一步扩展其在微电子和光电子领域的应用方面发挥着重要作用。

松山湖材料实验室副主任张广宇研究员所带领的二维材料团队围绕二维材料的研究、制备及应用开展了一系列工作，并取得了国际领先的研究成果。

如今，“石墨烯”已成为大众所熟知的“明星材料”，石墨烯电池等产品也已逐步在商业领域有所应用。早在2004年，英国曼彻斯特大学Andre Geim教授课题组成功分离出单原子层的石墨材料——石墨烯，从而引发了二维材料研究的热潮，相关研究者因此获得了2010年的诺贝尔物理学奖。

近年来，在半导体器件发展微型化和柔性化的驱动下，二维材料由于其优异的光、电、机械性能（例如高灵敏度、超高透明度以及半导体特性等），表现出了独特的优势。

“二维材料的特殊性质赋予了它们广泛的应用前景。首先在物理属性上， 二维材料只有一个原子层厚度，这就使得该类材料具有超高的透明度以及良好的柔韧性。 ”张广宇介绍，未来，二维材料一个重要的应用方向就是柔性透明电子器件。

“二维材料表面没有悬键，外延生长制备的过程中对晶格匹配度要求不高，属于范德瓦尔斯外延，对材料和工艺基本没有限制要求。”张广宇表示。

二维材料的出现，为突破传统半导体器件在性能上的各种限制提供了新的途径，为实现各种功能应用提供了新的思路。

在不到一个指甲盖大小的面积上，可以集成超过1500个柔性二硫化钼场效应晶体管器件。2020年9月，张广宇所带领的团队在电子学期刊《Nature electronics》上发表了论文《基于单层二硫化钼场效应晶体管的大面积柔性透明电子器件》。

该团队利用外延生长得到的四英寸高质量、高定向单层二硫化钼薄膜，结合传统的微加工工艺，通过优化绝缘层与接触电阻，制备出了大面积柔性透明的二硫化钼场效应晶体管及各种逻辑器件。器件表现出了优异的特性： 晶体管器件密度可达1518个/平方厘米，成品率高达97%，是目前已报道结果中最高指标，处于国际领先水平 ；单个器件也表现出较好的电学性能和柔韧性。

张广宇指出，“目前，成熟的半导体工艺多采用8寸或者12寸硅材料晶圆，尺寸越大，集成芯片就越多，成本也越低。所以要实现大尺寸二硫化钼晶圆的制备也是一样的思路，但是越大的尺寸，也意味着更高的技术要求。”

大面积高质量的二硫化钼薄膜的制备，还存在晶粒尺寸较小、晶界多、取向随机等问题。 为解决这一难题，张广宇团队利用自主设计搭建的多源化学气相沉积系统，采用立式生长和多点形核的方法，在蓝宝石衬底上外延制备出了四英寸高质量连续的单层二硫化钼晶圆。

他这样形容其中的原理，“就像拿一个喷壶往墙上喷水，第一代设备只有一个喷头，这时喷的区域比较小；第二代设备是用三个喷头一起喷，这样喷出的面积就能扩大三倍；第三代设备是用六个源一起喷，这种情况下喷出的区域更大，更均匀。”

“二维半导体材料具 有很多优异的特性，可以弥补硅以及其它半导体材料在应用方面的不足，发挥材料自身的优势，实现一些新的、更加契合的应用场景。比如柔性可穿戴器件，超灵敏探测器等。 ”他表示，二维材料不是万能的，而是有适合自身的特殊应用场景，应该利用这些特点来开发它相对应的产品。

2019年初，松山湖材料实验室二维材料团队开始起步建设。他表示，二维材料团队主要聚焦有应用前景的材料研究。二维材料要真正应用到实际生活中，还要经历一段必不可少的过程，包括验证二维材料在原理和技术上的可行性，优化各种工艺参数、提高器件各方面性能等。

二维材料团队作为一个新团队，团队搭建是最重要的工作之一。目前团队固定成员不到十人，均具有不同的研究背景。“既有做材料的，也有做器件的；既有做加工和器件制备的，也有做表征和测量的......”张广宇表示，团队工作需要成员相互配合，这样才能更加高质量、高效率开展研究工作。

随着松山湖材料实验室建设步入正轨，越来越多优秀的海外研究人才选择加入实验室，在此开展自己的科研工作。团队中两位骨干青年科研人才，就是张广宇到欧洲宣讲时招聘引进的。在他看来，这是一个不错的兆头。“松山湖材料实验室作为广东省布局建设的新型科研机构，各方面资源相对充足，具备较强的吸引力。同时东莞也为科研人才提供了一个能够安心做事、专心科研的舞台。”

二维半导体二硫化钼的研究及发展现状在光电器件领域具有广阔的应用前景。根据相关公开信息查询显示二硫化钼(MoS2)是一种典型的过渡金属硫属化合物，其二维结构表现出优异的光学性能、热电性能及光电性能，在光电器件领域具有广阔的应用前景。二硫化钼二维材料的独特结构和性能使得其在清洁能源领域表现出了广阔的应用前景。

---