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

我认为半导体产业具有非常光明的发展前景。

因为半导体产业不仅仅国家的经济提升有非常明显的作用。而且这是一项高科技技术。半导体产业链的完成并非是一个国家在短短几年之内就能研制出来的，如果想要拥有完整的产业链以及先进的市场技术，必须要在这方面花很多的精力与时间持续投入研发，才能慢慢取得一点点的成果。从全世界目前的范围来看，只有极少数的国家才能完整的掌握半导体产业链。所以掌握半导体产业链的国家才是拥有高科技的国家，才能在国际社会当中存在一定的话语权。

美国决定投资520亿美元发展半导体产业，目的就是守住自己的高科技。因为其他的国家都在努力发展相关类似的产业，如果自己在这方面失去了技术上面的优势。我认为对于美国而言无疑会造成巨大的打击，这样不仅会严重影响自己的经济发展，更重要的是还会让自己失去高科技领先优势。作为一个国家慢慢在市场上失去了技术优势，我认为这是一件很难面对的事。

中国作为现在一个崛起的大国，对半导体产业也正在努力的发展当中。因为中国改革开放时间比较短，半导体产业相对于其他发达国家存在一定落后的情况。因此很多与半导体相关的产业链始终发展不起来，这就导致中国的一些经济还存在薄弱环节。只有把半导体产业链快速发展起来之后，才能更好的让国家经济提升上来，增强中国经济的优势。

总结：半导体产业不仅影响着国家的前途命运，更影响着一个国家的科技未来。我们一定要保持好谦虚的心态，加大在这个产业上面的持续投入。只有这样才能缩小与国外的差距，让自己掌握技术上面的话语权。

欧洲半导体工艺研发机构IMEC总裁Luc Van den hove 日前透露，IMEC将在2015年以后，有选择地对部分450毫米硅片关键工艺形成研发能力，这些关键工艺包括光刻和晶体管控制栅的制造。

Van den hove 认为，在2015以前，市场上很难找到成熟的关键设备和工具。以光刻设备为例，尽管目前技术规格的EUV 光刻机在对光学部分进行一定改造后，勉强可以用于450毫米硅片，但大的加速度因子使得系统的稳定性和可维护性都不理想。

IMEC已经在开始改造其300毫米硅片生产的净化室，以便将来可以容纳450毫米硅片生产设备，但这将是2015年或更久以后的事情。IMEC称，基于成本和保持IMEC核心竞争力等因素的考虑，净化室的改造将同时兼顾300毫米硅片和450毫米硅片的研发，而450毫米硅片生产设备的引入将遵循循序渐进、逐步过渡的原则，形成完整的450毫米硅片的研发能力将是一个漫长的过程。

和这家欧洲主要的半导体工艺研发机构的保守计划形成对照，美国则计划以纽约州Albany大学的纳米研究中心为基地，一步到位地建立一个450毫米硅片工艺实验生产线。

纽约州州长Andrew Cuomor上个月表示，包括Intel、IBM、GlobalFoundries、TSMC 和Samsung在内的全球五大领先半导体制造商已经决定形成一个工业联合体，以推进下一代18英寸晶圆制造换代的进程。联合体在未来5年里计划投入44亿美元，在纽约州Albany大学建立一个450毫米硅片制造实验生产线，纽约州将贡献总投资中的4亿美元。

与此相关，欧洲半导体工艺研发能力的衰退对中国半导体制造业缩短和世界的差距是不利的，毕竟IMEC作为一个商业性的半导体研发机构为中国的半导体工厂培养过一批人才，而在未来的10年里，美国恐怕不会实质性地改变对中国的技术出口管制政策，到时中国工程师可能花钱也无法得到在美国学习450毫米工艺的机会。

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