钨钼硫化物提升芯片性能

据悉，美国宾夕法尼亚州立大学的科学家发表在《自然-通讯》的一项新研究显示，他们成功制备出了一种超薄的二维材料晶体管——钨钼硫化物，这将能大大提升未来芯片的性能。

生活在一个由数据驱动的互联网世界，我们必要面临的挑战是大数据对存储和处理的能力。而晶体管作为集成电路领域的重要组成部分，想要存储和处理更多的数据，就需要使用更多的晶体管。

根据摩尔定律，集成电路上可以容纳的晶体管数目在大约每经过18个月便会增加一倍。这也就意味着半导体材料的改善对芯片性能的提升至关重要。随着晶体管特征尺寸的缩小，想要进一步提升芯片性能，就需要获得更小更薄的半导体材料。

当前使用的三维硅材料虽然有制作晶体管的60年左右的 历史 ，但是其尺寸几乎已经达到了极致，很难满足未来的需求。因此，众多科学家都在新技术、新工艺、新材料等方面进行积极 探索 ，发现二维材料有着先天的优势，它们的产生厚度能比目前实际应用的三维硅材料薄10倍。

研究者通过使用金属有机化学气相沉积技术制备了二维的单层二硫化钼和二硫化钨半导体材料，它们能用来制作新型的晶体管。为了验证新型二维晶体管的性能，科学家分析了与阈值电压、亚阈值斜率、最大与最小电流之比、场效应载流子迁移率、接触电阻、驱动电流和载流子饱和速度相关的统计指标。经过一系列的测试后证实了新晶体管的可行性，这意味着新型晶体管不仅能够让下一代芯片更快、更节能，还能够承受更多的数据存储和处理。

据了解，台积电5nm制程工艺已经量产，而3nm制程工艺将于今年进行试产，2022年量产。此外，有消息称台积电已经成功开发了2nm制程工艺，将在2023年上半年进行生产，并将在2024年开始批量生产。如果超薄二维材料晶体管进入应用阶段，那么1nm制程工艺想比也将很快实现。

在对传统硅材料相关应用研究达到瓶颈时，科学家们试图寻找替代材料，二维材料因具备特殊的单原子层厚特点成为近年来的研究热门，尤其是二硫化钼（MoS2）、二硫化钨（WS2）、二硒化钼（MoSe2）、二硒化钨（WSe2）等过渡金属硫化物（TMDCs）具有优异的光电特性，比较传统硅作为晶体管材料时能够实现更高的电荷迁移率与更低的功率损耗。

斯坦福大学科研人员基于二硫化钼发明了一种仅原子厚度的高性能晶体管，长度不到100纳米，但可以实现在低电压运行时耐受高电流。这使得柔性电子产品达到“薄如蝉翼”的效果成为可能。相关研究成果发表在《Nature Electronics》上。

随着 科技 的发展，虽然柔性电子设备已经在日常生活中“随处可见”了，如颜值较高的曲屏手机、升级版酷炫可折叠手机、不会“硌人”的智能服饰等等，但是人们对柔性电子技术的 探索 仍未止步，至少在轻薄度、可延性等方面仍然具有很大的发展空间。

柔性电子技术一般是通过将有机或无机材料电子器件制作在柔性或可延性的基板上，以使得传统坚硬的电子设备柔性化，从而能够在不规则的条件下稳定运行。最早可以追溯到上世纪60年代，当时科研人员一般以塑料、金属、玻璃、橡胶为基板，并尝试用有机半导体替代硅等无机半导体。

一般而言，材料的轻薄度与其柔性是正相关的，然而对于电子设备而言，轻薄材料的电压耐受性一般比较差，在实际应用过程中存在很大的安全隐患，尤其是应用在医疗数据跟踪器等可穿戴设备当中，基板受热分解、漏电或者是数据异常反馈不及时等都可能对使用者造成生命危险。因此，如何保证电子设备在满足性能条件的前提下趋于轻薄化与小型化，是至今为止研究人员一直在攻克的重要难点之一。

斯坦福大学研究人员提出了一种新的基于层的工艺使超薄电子设备成为可能。他们首先在覆盖有玻璃涂层刚性硅基板上，利用化学气相沉积法使原子厚度MoS2薄膜叠加成为仅三个原子厚度的涂层，该涂层上方覆盖着纳米级图形结构金电极，随后浸入去离子水中将整个器件堆栈剥离，并转移到由聚酰亚胺制成的柔性基板上。

最终包括基板在内的整个柔性场效应晶体管结构厚度仅5微米，且分辨率高、功耗低、散热效果佳。

新工艺在无线通信、“贴肤”电子产品、人体芯片等领域中具有很大的应用前景，目前研究人员正在寻找商业化规模生产的方法。此外，他们尝试利用二硒化钼（MoSe2）和二硒化钨（WSe2）材料验证这种晶体管制造方法的多样性。

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