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

原子是物质组成的基础，也就是说原子是非常小的。在这个世界上原子和分子的尺寸是很小而又很难以估量和描述的。正因为如此的奇特才有了关于原子和分子的一个物理学分支叫做量子力学，由此来解释发生在原子和分子世界中的奇特事件。当有人告诉你他把一个网球投向一堵砖墙的时候，并且球穿过了墙，你可能会因此而感到无比惊奇，甚至不可思议。然而，在量子领域里，这是可以发生的。在很小的领域里，物质的属性，比如颜色，磁力以及磁导电等都在以超乎想象的方式改变着。在现实的事件中去观察原子世界的物质运动是不可能的，因为原子比可见的光波还要小。然而在1981年的时候，IBM的研究人员发明了一种显微镜，借此可以记录原子世界的运动状况。就像老式的唱片机的唱针一样，它可以记录微小世界的撞动和轨迹。由此，科学家们就可以第一次“看”到原子和分子了。借用这种显微镜，像山脉一样上下波动的微小世界的轨迹就被显示出来了。一个NANO米也就是十亿分之一米，大概也就是一个氢原子的十分之一。尽管50年代末的时候科学家们就想利用这种微小的物质来作研究，然而显微镜的发明才满足了这一切。在定义上，武断的说NANO技术就是利用物体在1到100NANO米的一种技术。有些人把1NANO米的十分之一也包含在内，也就是两个碳原子之间的距离。在另一种意义上说，那些物质大于50NANO米的经典物理定律在NANO技术上也就尤为突出了。其实有很多的物质都有上述的特征，比如彩色玻璃，内燃机的低温沉积物以及猫粪等，然而它们却无法符合NANO技术的标准。在微小的世界里，只有那些具有特殊属性可利用的物质才能作为NANO技术加以利用。在微小的NANO世界里，“新奇，激动人心而又与众不同的属性才能够被发现”，这就是牛津大学物质科学系教授乔治·史密斯所给予说法。如果你有一粒白糖，你把它切的很小，你得到了更小的微粒，可是这并没有什么。然而当物体变得越来越小时，它的表面积与它的体积的比率却在增加。这就引发了我们的关注因为原子在物质的表面比其在物质的内部活动性更强。比如冰糖，当把它放在水里的时候它会以更快的速度溶解成为更小的颗粒。而当银被变成更小的微粒时，它将具有抗菌的属性，而这些属性在大块的银上无法体现。有公司利用这一现象通过NANO微粒制成了复合的氧化铈，利用微粒的活动性作为催化剂。在这个不可见的世界里，金的细小微粒可以在几百度就熔化，这比很大的金块的熔解温度要低很多。铜，通常用来作为一种优良导体的元素，在磁场的作用下在NANO世界里会变得失去导电性。电子，就像前面所说的想象中的有着神奇能力的网球，可以简单的从一个地方跳到另一个地方，并且分子在一定的距离下也开始产生相互的吸引力。也正因为如此，壁虎使用它们脚底板上很细小的毛来吸附在天花板上。然而，在NANO世界里去寻找这些新颖的属性只是第一步。下一步就应该是利用这些知识了。最广泛使用的，利用原子的精度将允许科学家们来制造物质以提升更好或更新的光的，磁的，热的或电的方面的属性。而即使是如果仅了解物质原子间的缺陷，也可以此来找到更好的方法加以改进。事实上，一些全新的物质正在被改进。比如在弗吉尼亚州一家公司正在制造金属橡胶，这种金属橡胶柔软而有d性，还能像金属一样具有导电性。通用电器在纽约的研究中心也正在研究有d性的瓷器。如果成功的话，这种物质就可以用来制造飞机引擎部分，那么飞机就可以飞的更高并保持更有效的温度。还有一些别的公司也正在制造一种像油漆一样的物质以用于太阳能电池。由于NANO技术有如此光的应用范围，许多人认为它将像电和塑料一样，对我们的生活产生至关重要的影响。事实上，如果能通过对物质和产品的改进，NANO技术将会真正改变和影响每一个行业，并能制造出更多新的物质。更进一步，在电子，能量和生物制药方面，NANO技术都将产生重大突破。NANO技术其实并不是从一个单一的学科衍生而来的，尽管可能它与物质科学有着很多的共同之处。由于原子和分子的属性为许多的科学领域奠定了基础，因此这一领域也引起了其它许多不同学科的科学家们的研究兴趣。在整个世界范围内，大约有两万人在NANO技术领域内工作，但是很难确定他们具体在哪一个块工作。在微小的世界如电子学，光学和生物科学里，这些科学研究领域被加上新的标签成为如NANO生物科学，NANO光学和NANO电子学，因为似乎在任何的事物前加上NANO已经成为时尚。NANO这一前缀被认为是从希腊语的一名词得来，其解释为“侏儒”。牛津大学的史密斯教授给了另一个有趣的解释，也就是它来自于一个动词，意思是寻找资金，英文研究NANO技术的经费是很巨大的。据力士在纽约的NANO研究咨询中心估计，全球2004年全部用于NANO技术的研究经费超过了86亿美金，而其中一半来自政府。而在未来，公司可能会比政府投入更多的钱用于NANO技术的研究。对于美国来说，NANO技术是联邦政府自从决定把人送往月球起最大资助的科学方案。在2004年，美国政府投入了16亿美金，这比人类基因组项目计划最多时的投入的两倍还要多。在2005年，政府还曾计划多支出9.8亿美金。日本是继美国后的第二大NANO技术研究经费投入国，并且亚洲的其它国家以及欧洲也已经加入这一投资竞赛。更让人惊奇的是，这些参与者包括许多发展中国家如印度，中国，南非和巴西。从1997年到2003年的六年里，据报道在NANO技术方面由政府部门参与的投资大约增加了七倍，然而大量的投资并没有导致一些预期的结果。一些人认为大量的利用NANO技术起家的公司的兴起将引起像网络公司一样的泡沫，然而从一些好的理由，我们可以设想这种风险已经被夸大了。私人投资者们比先前投资网络公司时更为谨慎，并且政府投入资金中的很大一部分将用于基础科学研究和发展一些短期内无法应用的新技术。然而，很大一些新产品已经通过NANO技术得以改进，并且在未来几年内还会出现更多。用于治疗烧伤的绷带已经通过加入银的微粒来增加抗菌性；衣料已经通过在棉纤维内加入小的分子以生成一保护层来产生防臭和防污功能；网球拍通过加入小的微粒来增加扭转力和d力；其它的应用包括在船体，遮光剂，车体和冰箱加入涂层。在未来，NANO技术还可能产生更大的创新诸如生产新的计算机内存，增强的医疗技术和更好的能量生产应用如太阳能电池。对这项技术的坚实的支持者们认为NANO技术可以让能源变得干净，生产变得没有浪费和获得更便宜的太空旅行。然而反对者却认为NANO技术将带来全球的监控并损害穷人的利益，同时破坏环境和损害人类身体健康，甚至是通过自我复制一种灰色的粘性物质来摧毁整个地球。其实无论就支持者还是反对者来说，他们的言辞都有所夸大。

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