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

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：作为现在最广泛应用的半导体材料,它的优点是多方面的.

1）硅的地球储量很大,所以原料成本低廉.

2）硅的提纯工艺历经60年的发展,已经达到目前人类的最高水平.

3）Si/SiO2 的界面可以通过氧化获得,非常完美.通过后退火工艺可以获得极其完美的界面.

4）关于硅的掺杂和扩散工艺,研究得十分广泛,前期经验很多.

不足：硅本身的电子和空穴迁移速度在未来很难满足更高性能半导体器件的需求.氧化硅由于介电常数较低,当器件微小化以后,将面临介电材料击穿的困境,寻找替代介电材料是当务之急.硅属于间接带隙半导体,光发射效率不高.

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锗：作为最早被研究的半导体材料,带给我们两个诺贝尔奖,第一个transistor和第一个IC.锗的优点是：

1）空穴迁移率最大,是硅的四倍；电子迁移率是硅的两倍.

2）禁带宽度比较小,有利于发展低电压器件.

3）施主/受主的激活温度远低于硅,有利于节省热预算.

4）小的波尔激子半径,有助于提高它的场发射特性.

5）小的禁带宽度,有助于组合介电材料,降低漏电流.

缺点也比较明显：锗属于较为活泼的材料,它和介电材料的界面容易发生氧化还原反应,生成GeO,产生较多缺陷,进而影响材料的性能；锗由于储量较少,所以直接使用锗作衬底是不合适的,因此必须通过GeOI（绝缘体上锗）技术,来发展未来器件.该技术存在一定难度,但是通过借鉴研究硅材料获得的经验,相信会在不久的将来克服.

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