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编纂Eva?
只管摩尔定律有甚么是也许让人真实感应到的，那便是跟着时候的推移，晶体管变得越来越小。在曩昔10年间，科学家和工程师们将这类趋向停顿到了近乎荒唐的境地，他们发明出由单原子厚度材料制成的器件。
这些材估中最知名的固然是石墨烯，它是一种六边形的蜂窝状碳片，具备非凡的导热性、电导率、怪异的光学机能和难以相信的呆板强度。但做为一种用于建立晶体管的物资，石墨烯并没有真实表现影响。由于没有当然的能带隙（使半导体具备半导体的个性），它并不适适用于建立晶体管。
相悖，科学家和工程师们始终在摸索过渡金属二硫化物的联系畛域，这类物资的化学分子式都为MX2。它们是由十几种过渡金属（M）中的一种和三种硫属化合物（X，即硫、硒或碲）中的一种构成。二硫化钨、二烯化钼和其余一些材料也许在单原子层中制成（与石墨烯不同）当然半导体。这些材料具备广大的运用前程，只管此刻的硅技巧曾经原形靠近停顿的止境，咱们也能将晶体管节减为原子厚度的组件。
这类想国法人觉得愉快，我和我在比利时微电子探索中间（Imec）的共事们信任，只管硅材料照样该畛域的主宰者，但2D材料会很快呈现。咱们始终在探索并开垦一项技巧，将2D半导体运用于硅芯片，增加硅片机能和简化安排。
2D材料制成的器件是值得咱们和其余探索人员投入的科学工程，由于这类技巧将也许消除现今晶体管所面对的一个最大的题目，即短沟道效应，这是几十年来晶体管陆续节减所带来的事实。金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）是数字器件中的一种，它由5个原形部份构成：源极和漏极；毗邻它们的沟道地域；遮蔽沟道的一个或多个侧面的栅极介电层；以及与电介质来往的栅极。在栅极处施加联系于源极的电压，在沟道地域生成一层挪移电荷载体，在源极和漏极之间造成导电桥，准许电流起伏。
但是跟着沟道变得越来越小，只管栅极上没有电压，走电流也会始终增长，糟蹋电能。20世纪的二维安排停顿成为此刻开始进的处置器中运用的鳍式场效应晶体管（FinFET）机关，便是为了使沟道地域变薄，并使栅极从更多的侧面环抱沟道地域，来对立这类短沟道效应。由此造成的鳍状机关可完结更好的静电掌握。
咱们以为，经由更换器件沟道中的硅，某些2D半导体也许躲避短沟道效应。2D半导体供给了一个特别薄的2D地域——只管仅用一层半导体，它就和单原子相同薄。由于束缚了电流的门路，当器件处于封闭形态时，电荷载流子险些没有机缘阒然经由。这象征着晶体管也许赓续节减，节减对短沟道效应恶果的担心。
这些2D材料不只可用做半导体。某些材料，如六方氮化硼，也也许做为栅极介电层，其介电常数与二氧化硅的介电常数宛如，直到十几年前二氧化硅才遍及运用于这一畛域。用石墨烯取代晶体管的金属部件，可构成完全的晶体管2D材料。真相上，早在年，就有不同的探索小组建立出云云的器件。固然这些原形尺寸很大，但你也许设想咱们也许将它们的尺寸节减到几纳米。
让人觉得弗成思议的不只在于全2D晶体管的尺寸可譬喻今器件的尺寸还小，况且在于电子电路不会是2D材料的首个运用。2D材料或者将会运用在机能要乞降面积束缚较量宽松的低功耗电路中。
咱们在Imec探索的对象是所谓的后端工序建立的电路。芯片的建立分为两部份：前端工序须要很多高温工艺，改革硅本身的属性，譬喻用搀杂来界说晶体管；后端工序是建立多层互连线，这些互连线将晶体管毗邻起来，造成电路和供给电源。
跟着保守晶体管节减变得越来越痛苦，工程师们始终在探求晋升互连层机能的法子。咱们没法简捷地经由运用通例硅工艺来做到这一点，由于造成的热量会毁坏器件和器件下方的互连。因而，很多计划都依赖于也许在相对较低温度下制成器件的材料。
运用2D半导体而非其余候选材料的一个非常上风是也许同时建立p型（带领正电荷）和n型（带领电子）器件，这是互补金属氧化物半导体（CMOS）逻辑电路的须要前提。CMOS电路是现今逻辑电路的支撑，由于志愿情形下，电路只在从一种形态更改到另一种形态时才损耗能量。在咱们首选的2D半导体中，咱们曾经演示了n型晶体管，但还没有演示p型晶体管。但是，这些材料面前的物理学旨趣显然地说明，咱们制做中也许经由与半导体来往的介质和金属来完结。
只管能同时建立p型和n型器件，就可以开垦出紧凑的后端逻辑电路，如中继器。中继器对一定在芯片赶上行相对远间隔传播的数据实行转发。波及的晶体管通常位于硅层，记号一定先爬上互连层，在互联层向目标地传输一部份间隔，尔后回到硅层，实行中继后再回到长间隔互连层。这有点像汽车驶离高速公路，开到一个拥堵的都邑中间去买汽油，尔后再回到高速公路上。
长间隔互连层四周的中继器更相像于高速公路加油站。它节减了记号笔直双向传输的时候，也防备了笔直互连电阻造成的功率损失。更重大的是，将中继器移到互连层也许节减硅片上的空间来完结更多的逻辑。
中继器并不是2D材料仅有的潜在用处。2D材料也也许用于建立其余电路，如片上电源办理系统、记号缓冲器和储备器抉择器。这些电路的一个联合点是，它们不须要器件启动大电流，因而一层2D材料便可知足。
只管没有与产业准则毫米硅片相兼容的建立工艺，来日的超袖珍2D器件和低须要的后端工序电路都没法完结。因而，咱们Imec的团队正努力于此，渴望开垦一种适当全数运用的建立工艺。第一步是肯定最具运用前程的2D材料和器件机关。因而，咱们参照先进的鳍式场效应晶体管（FinFET）器件，对各类2D半导体材料和2D场效应晶体管（FET）架构实行基准测试。
由于探索人员对二硫化钼（MoS2）的探索阅历最为丰饶，因而运用MoS2制做的熟练器件取患了最大的停顿。现实在昨年12月的IEEE国际电子器件会议上，Imec公布了一种MoS2晶体管，其沟道长度惟有30纳米，源极和漏极触点惟有13纳米。但是经由可用性检讨，咱们以为MoS2不是终究事实。相悖，咱们得出论断，在与毫米硅片技巧兼容的全数材估中，用二硫化钨（WS2）制成的重叠纳米器件具备最大的机能潜力，它也许启动至多的电流。关于须要较低的后端工序路线运用，咱们也得出论断，在半导体沟道地域高低都有栅极的FET机关比惟有一个栅极的FET机关机能加倍非凡。
在得出这个论断以前，咱们曾经特别知道WS2：咱们也许在一个毫米的硅片上做出一个高品质版本。咱们在年初度演示了欺诈金属-有机化学气相堆积（MOCVD）在硅片上成长材料，这是一种经由化学反映在晶片表面成长晶体的罕见工艺。咱们采取的法子可在周全毫米晶片大将可控厚度低落到单分子层，即单层厚度。但是，MOCVD成长因而高温为价格的，而在后端工艺中是制止高温的，由于高温会毁坏下方的硅器件。
为收拾这一题目，咱们先在一个独自的晶片上成长WS2，尔后将其转变到曾经部份制成的硅片上。Imec团队开垦了一种怪异的转变工艺，也许将一层惟有0.7纳米薄的WS2转变到靶硅晶片上，险些不会侵害2D材料的电机能。
在此工艺中，首先在氧化遮蔽的硅片上成长WS2，尔后将其放在非常处置的晶片上。这类晶片上有一层材料，在激光照耀下会产生融化。其它，尚有一层粘合剂。将粘合剂侧压在遮蔽WS2的晶片上，2D材料从成长晶片上剥离并粘附在粘合剂上。以后，带有2D材料的粘合晶片翻转到靶硅晶片上，靶晶片在现实的芯片建立中曾经有了晶体管和几层互连。接下来，经由一束激光照耀晶片，将其大部份融化，只留住靶晶片上的粘合剂和WS2。用化学方剂和等离子体裁撤粘合剂。余下的便是处置过的硅和附着的WS2，经由范德华力加以静止。
这类工艺固然繁杂，但却相当有用。固然，尚有很大的改善空间，最重大的是节减晶片表面不须要的颗粒造成的毛病，同时消除边沿的一些毛病。
2D半导体材料制成后，就也许起头建立器件了。咱们在这方面曾经取患了成功，但仍存在一些远大挑战。或者最关键的题目是如哪里置WS2中造成的毛病。这类毛病严峻低落了2D器件的机能。在通常的硅器件中，电荷会在栅极电介质和沟道地域之间的接口毛病中被拿获。当电荷试图穿过器件会在接口四周散射电子或空穴，造成速率放慢。在二维半导体中，由于接口是沟道，散射题目加倍显然。
硫空位是影响器件沟道地域的最罕见毛病。Imec正在探索不同的等离子体处置何如减小这些空位化学反映，进而减小晶体管机能改革的偏向。咱们还须要防备单层成长后呈现毛病增长。只管WS2和其余2D材料存在毛病，则会赶快老化并进一步蜕化。氧攻打硫空位会造成四周呈现更多空位，使毛病面积变得越来越大。但咱们觉察，将模范储蓄在惰性处境中，也许有用防备空位增长。
半导体的毛病并不是咱们在建立2D器件时碰到的仅有题目。在2D表面上堆积绝缘材料造成栅极电介质才是一项真实的挑战。WS2和相像的材料缺少悬空键，不利于将电介质静止在表面上。
咱们的团队今朝正在摸索两种或者的有用门路：
一种是低落成长温度的原子层堆积（ALD）。在ALD中，一种气体分子吸附在半导体的泄漏表面，造成单层。尔后参与第二种气体，与吸附的第一种气体产生反映，造成详细的原子物资层，如介电二氧化铪。只管没有化学键，在低温下采取这类工艺也也许晋升气体分子粘附在WS2表面的才能。
另一种计划是运用特别薄的氧化层（如氧化硅）来增加ALD，以辅助ALD层的成核成长。采取物理堆积法子（如溅射或挥发）堆主动薄的硅层；尔后再实行氧化，终了一个通例氧化栅的ALD堆积。咱们运用挥发法取患了优越的效果。
建立优良2D器件的另一项挑战是抉择符合的金属做为源极和漏极触点。金属的机能可改革器件的个性。从金属中索取电子所需的最低能量这一参数，示意注入触点电子及空穴的差别。因而，Imec小组挑选了多种金属，与WS2纳米片来往。咱们觉察，在n型器件中，运用镁触点也许获得最高的通流，而镍或钨等其余金属也不错。咱们将为来日的p型器件探求多种金属。
只管存在这些挑战，但是咱们曾经也许判定器件机能的上限，以及操办完结这一目对象门路与法子。
做为一个基准测试，Imec团队运用了与以前刻画相像的双栅极器件。咱们用小的、当然剥离的WS2薄片建立器件，这类薄片的毛病比晶片巨细的半导体要小。关于这些熟练器件，咱们丈量的电子迁徙率高达每伏特秒几百平方厘米，险些与晶体硅周旋平，况且靠近理论展望的2D材料的最大值。由于在当然材估中觉察这类优良的迁徙率，因而咱们有信念在毫米晶片上的合成材料也也许抵达这一对象（今朝这类材料只可抵达每伏特秒几平方厘米）。
关于来日二维半导体停顿的重要挑战，咱们的团队已有一个详细的收拾计划。譬喻，咱们领会材料何如成长并转变到毫米的靶晶片上；咱们领会何如调整关键的栅极电介质；咱们正努力于将器件电荷载流子的迁徙率升高到与硅相当的水准。但是，正如咱们所指出的，今朝的技巧中依然存在一些远大题目。这须要加倍工程竭力，以及在实质上增长对这类新式2D材料的知道。收拾这些挑战将有助于把高机能器件节减到原子层，不过，在咱们赓续节减硅片的进程中，这些器件也或者首先完结一些目标须要不高的新功效。
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