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

芯片研究最近已成为中国技术发展的主要问题。 特别是对于某些公司而言，当他们失去芯片时，他们的产品就失去了优势。 美国对芯片实施严格控制后，无数中国科学家投资了芯片研发。 他们中的许多人来来往往都希望共同解决困扰中国发展的芯片问题，但是却出现了令人惊讶的现象。 在芯片研发领域，除了备受推崇的老一代科学家外，还有年轻的科学家。 也在为中国芯片产业的发展贡献自己的知识和能力，并在中国芯片产业中大放异彩。 中国不能克服哪些困难？

在从事芯片研究的科学家中，我看到了一位出色的女科学家， 她是这支球队中最好的，但只有32岁，她可以依靠自己的力量来帮助中国，她为筹码的发展做出了一些贡献， 这个人是黄芊芊，他是北京大学的才华横溢的女孩，她年轻时的成就是什么，为什么她可以参加前沿的芯片研究，今天让我们来谈谈，一位杰出的女科学家黄芊芊，江西人，从小就对学习很感兴趣， 她的父母坚信读书可以改变自己的命运，因此他们使用指导方法让黄谦谦学会独立学习，因此她的成绩在同龄人中也非常好，高中毕业后，她以优异的成绩考入北京大学信息科学与技术学院， 她的卓越成就使她的父母为她感到骄傲。

在北京大学学习的四年中，黄谦谦在各个学科上的成就都很出色，在学习过程中，她还接触到许多前所未有的新知识，尤其是半导体领域的新知识，这使她感到特别， 她还对半导体感兴趣，并希望对半导体做进一步的研究，因此，黄谦谦在北京大学完成学业后，没有选择在国外工作或学习，她曾经出国学习，是否曾在该国继续深造，她不确定出国留学是否有意义，她检查了很多信息并做了很多比较，最后她 决定留在母校北京大学深造，因为她认为家庭教育环境也很好，并且可以在国内很好地发展。 网络是如此发达，知识的流通量很高。

黄芊芊凭借着资金沉迷于半导体研究， 2017年，年仅28岁的黄芊芊入选“未来女性科学家计划”奖，成为该奖项设立以来的第一个微电子领域， 年轻的学者，这个奖项非常丰富，因此她受北京大学邀请成为微纳电子学系的研究员和博士生导师， 在这个年龄段，许多人仍在为自己的事业而苦苦挣扎，黄谦谦已经成为博士生导师，站在北京大学的讲台上，在中国培养了新一代的半导体行业从业人员，并开始了自己的另类人生。

同时，老师黄芊芊并没有停止她在半导体领域的研究，黄芊芊参与了“超低功耗微纳米电子器件的基础研究”“在该领域，她在研发方面做出了重大贡献，因此她获得了IEEE电子设备协会的青年成就奖，但是她以低调的方式回到实验室后继续下一次工作，对于她来说，这个奖项是对她可以逐步积累超过十年的科学研究成果的肯定，但这只是她自己的科学研究之路的开端，而且将会有更多的 未来的高质量科研成果，自信而谦虚的黄芊芊带领她的团队继续前进，除了这些专业以外，黄谦谦还取得了优异的学术成绩，据不完全统计，黄谦谦共发表论文60余篇，其中第一篇。 相应的作者身份在微电子IEDM和VLSI领域的顶级国际会议上发表了9篇论文，她已申请或合作了70多项专利，其中国际授权了10多项专利，国内授权了40多项专利。

随着“出国热”的普及，越来越多的人选择以出国深造为由完成学业后离开中国定居， 中国在培养国外的尖端人才方面，黄芊芊以自己的力量证明，出国留学是无法取得成功的， 中国的教育能力并不逊色于外国，发展中的中国也将拥有先进的技术，先进的设备和强大的国力 ，因为我们有许多像黄芊芊这样的杰出科学家，他们内心坚定，目标明确，并携手合作，共同建设一个更好的中国， 有了这些杰出的科学家，我们的中国将变得越来越强大，你怎么看？

晶体三极管的发明者 巴丁(1908— )生于美国，少年时代就很用功，16岁考上大学，特别喜欢物理。早年他和另外两名科学家肖克莱和布拉坦一起，共同研究半导体锗和硅的物理性质。在一次实验中，他在锗晶体上放置了一枚固定针和一枚探针，利用加上负电压的探针来检查固定针附近的电位分布。当巴丁将探针向固定针靠近到0.05毫米处时，突然发现，改变流过探针的电流能极大地影响流过固定针的电流。这一意外的发现，使他们意识到这个装置可以起放大作用。于是三人通力合作，经过反复研制，终于在1947年发明了一种新的半导体器件，这就是晶体管。这一成果立刻轰动了电子学界，巴丁等被称为电子技术革命的杰出代表。由于这一贡献, 巴丁和肖克莱、布拉克一起获得了1956年度诺贝尔物理学奖。从原理上讲，这是一个固体物理和半导体物理的问题，至少需要学习一下半导体物理才能真正理解。

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