“突破摩尔定律”半导体重大突破硅原料将被取代生产待定

“突破摩尔定律”半导体重大突破硅原料将被取代生产待定,第1张

中打破了摩尔定律,在新的半导体研究领域取得了巨大的突破。利用一种新的超薄电极材料,实现了二维半导体电子与逻辑电路的自由控制。此外,南洋理工大学、北京大学、南京大学等高校的科研队伍,也在二维半导体的整合与成长上取得了突破性进展。

中国的本土企业也在努力地积累和研究相关的技术,这些技术将会在将来获益。首先,我们要说的是,摩尔定律是什么,为什么它会对半导体产生如此大的影响。戈登·摩尔,英特尔的共同创始人,提出了著名的摩尔定律:每18到24个月,集成电路上的元件数目就会翻一番,而其性能也会翻一番。这就意味着,在每一块硅片上,晶体管的体积会变得更小,也会变得更多。但是今天,一块指甲盖大小的晶体管可以容纳一百亿个,而硅晶体管也已经接近了它的物理极限。摩尔定律的继续,要求新的材料,新的装置。

目前,人们对二维半导体的前景非常看好,因为传统的硅片晶体是以三维块状半导体为基础,使得电子难以透过纳米尺寸的通道。然而,由于二维材料的存在,使得晶体管的体积变得更小,变成了一种更容易让电荷在其中自由流动的超薄晶体管。

由光敏材料及器件研究中心的黄博士、物理学院的李金龙教授带领的一个研究团队,成功地利用了一种新型的超薄电极材料(Cl-SnSe2),实现了二维半导体电子及逻辑电路的自由控制。

该研究成功地解决了费米能级钉扎问题,使得传统的二维半导体器件难以完成互补逻辑电路,只显示 N型或 P型器件的性能。利用这种新的电极材料,可以实现 N型、 P型的功能,从而形成一种高性能、低功耗、互补逻辑的逻辑电路。

黄教授预测,这种新型的二维电极材料将会是很薄的,具有很高的透明度和d性。所以,他们可以应用到下一代的可弯曲的、透明的半导体装置上。南洋理工大学,北京大学,清华大学和北京量子资讯 科技 研究院的研究者们,近期展示了一种将单晶体滴定在二维半导体上的方法,即高 K钙钛矿的一种氧化物。该技术将为新的晶体管和电子器件的发展提供新的可能。

报告中提及了一种叫做“一种钙钛矿”的单晶滴定锶,以前人们已经发现,用一种具有不同的原子结构的钙钛矿氧化物难以实现。但是,这个研究小组使用了一种聪明的方法,它能够超越这个极限,使材料的组合几乎是无限的。

研究者称,他们发明的晶体管可以用来制作互补的 MOS电路,同时也可以降低功率消耗。在将来,这些装置将会被大量生产,用以研发低功率的逻辑和微型晶片。前不久,王欣然教授和南京大学王金兰教授的研究小组共同宣布,世界上第一个大规模、均匀的二层二硫化钼,这是目前已知的最好的二维半导体材料之一,薄膜的外延生长。

东南大学教授马亮说:“我们的研究成果,不但打破了二硫化钼薄膜的层数可控生长技术瓶颈,开发出了性能最高的二硫化钼膜器件,并将其应用到其它二维材料的外延上,为以后的硅半导体器件的发展开辟了新的思路。”

在二硫化钼的研究中,二硫化钼的载流子迁移率和驱动电流都比单层二硫化钼高,在电子设备的应用中占有很大的优势。然而,采用常规方法制备的二硫化钼双层膜存在着层数均匀性差、膜不连续性等问题,研究小组提出了一种新型的基板诱导成核和“齐头并进”的新型生长机理。

值得一提的是,芯片制造商们,也在积极地进行着新的研究。英特尔与台积电将于2021年12月举行的 IEEE国际电子装置大会上,为解决二维半导体高阻、低电流问题提供了解决办法。在半导体与金属的接触处,存在着锋利的电阻尖,这是目前二维半导体面临的最大阻碍。

台积电与英特尔公司采用了半金属锑作为接触材料,以减少半导体与触头间的能量壁垒,以达到低阻性。从2019年起,台积电一直在寻求一种可以替代硅的二维材料。台积电在今年五月率先宣称,他们已经找到了半金属铋可以在很低的电阻下,成为二维半导体的粘结剂。但是铋的熔点太低,不能承受后续的晶片高温处理。

南京大学电子工程学院王欣然博士团队,着眼于中国国内市场的发展,在2021年九月,天马微电子(深天马)与天马公司的合作,为今后 Micro LED技术的发展开辟了一条崭新的技术路径。

硅基氮化镓半导体材料相比碳化硅基氮化镓及砷化镓,在实际案例中,目前还没有被广泛应用,但是因为性能优异,所以以后有望普及。

例如相比碳化硅基的氮化镓,硅基的氮化镓比碳化硅基的氮化镓在线性度上有不同的显现,可对基站的复杂信号进行数字调制。

在产能上,碳化硅基由于材料特性,不支持大的晶圆,而硅基氮化镓材料支持大晶圆的特性,有利于电路的扩展和集成,未来有可能在相关领域取代碳化硅基。

另外相比砷化镓,氮化镓拥有高一些的饱和功率,所以当作低噪声放大器使用时,适合雷达等应用领域,可以省略掉限幅器,限幅器的主要作用就是防止高功率干扰信号对放大器带来损失。所以简化的系统噪声系数会好于砷化镓,除此之外混频器等应用中,更好的动态范围也比砷化镓合适。

综合以上所述,从某些方面来说,硅基氮化镓半导体材料有一定优异性,未来有望被广泛应用。


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