中科院研發(fā)低維半導(dǎo)體技術(shù)：納米畫筆“畫出”各種芯片

中科院今天宣布,國(guó)內(nèi)學(xué)者研發(fā)出了一種簡(jiǎn)單的制備低維半導(dǎo)體器件的方法——用“納米畫筆”勾勒未來(lái)光電子器件,它可以“畫出”各種需要的芯片。

隨著技術(shù)的發(fā)展,人們對(duì)半導(dǎo)體技術(shù)的要求越來(lái)越高,但是半導(dǎo)體制造難度卻是越來(lái)越大,10nm以下的工藝極其燒錢,這就需要其他技術(shù)。

中科院表示,可預(yù)期的未來(lái),需要在更小的面積集成更多的電子元件。針對(duì)這種需求,厚度僅有0.3至幾納米(頭發(fā)絲直徑幾萬(wàn)分之一)的低維材料應(yīng)運(yùn)而生。

這類材料可以比作超薄的紙張,只是比紙薄很多,可以用于制備納米級(jí)別厚度的電子器件。

從材料到器件,現(xiàn)有的制備工藝需要經(jīng)過(guò)十分繁瑣復(fù)雜的工藝過(guò)程,這對(duì)快速篩選適合用于制備電子器件的低維材料極為不利。

近日,中科院上海技術(shù)物理研究所科研人員研發(fā)出了一種簡(jiǎn)單的制備低維半導(dǎo)體器件的方法——用“納米畫筆”勾勒未來(lái)光電子器件。

由于二維材料如同薄薄的一張紙,它的性質(zhì)很容易受到環(huán)境影響。利用這一特性,研究人員在二維材料表面覆蓋一層鐵電薄膜,使用納米探針施加電壓在鐵電材料表面掃描,通過(guò)改變對(duì)應(yīng)位置鐵電材料的性質(zhì)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)二維材料性質(zhì)的精準(zhǔn)操控。

當(dāng)設(shè)計(jì)好器件功能后,科研人員只需發(fā)揮想象,使用納米探針“畫筆”在鐵電薄膜“畫布”上畫出各種各樣的電子器件圖案,利用鐵電薄膜對(duì)低維半導(dǎo)體材料物理性質(zhì)的影響,就能制成所需的器件。

實(shí)際實(shí)驗(yàn)操作中,“畫筆”是原子力顯微鏡的納米探針,它的作用就相當(dāng)于傳統(tǒng)晶體管的柵電極,可以用來(lái)加正電壓或負(fù)電壓。

但不同于傳統(tǒng)柵電極,原子力顯微鏡的針尖是可以任意移動(dòng)的,如同一支“行走的畫筆”,在水平空間上可以精確“畫出”納米尺度的器件。

在這個(gè)過(guò)程中,研究人員通過(guò)控制加在針尖上電壓的正負(fù)性,就能輕易構(gòu)建各種電子和光子器件,比如存儲(chǔ)器、光探測(cè)器、光伏電池等等。

下圖是一張用探針針尖寫出來(lái)的心形圖案,充分體現(xiàn)了圖形編輯的任意性。

而且,一個(gè)器件在寫好之后,用針尖重新加不同的電壓進(jìn)行掃描,還能寫成新的功能器件,就像在紙上寫字然后用橡皮擦干凈再重新寫上一樣,即同一個(gè)器件可以反復(fù)利用、實(shí)現(xiàn)不同功能。

就像一個(gè)機(jī)器人,刷新一下控制程序,就能做不同的事情。

研究人員還進(jìn)一步將這種探針掃描技術(shù)應(yīng)用于準(zhǔn)非易失性存儲(chǔ)器。

準(zhǔn)非易失性存儲(chǔ)器是指同時(shí)滿足寫入數(shù)據(jù)速度較快,保存數(shù)據(jù)的時(shí)間較長(zhǎng)的一類存儲(chǔ)器。發(fā)展這類存儲(chǔ)技術(shù)很有意義,比如它可以在我們關(guān)閉計(jì)算機(jī)或者突然性、意外性關(guān)閉計(jì)算機(jī)的時(shí)候延長(zhǎng)數(shù)據(jù)的保存時(shí)間。

此外,這種器件制備技術(shù)還可用于設(shè)計(jì)“電寫入,光讀出”的存儲(chǔ)器,我們?nèi)粘Ｊ褂玫墓獗P就是典型的“光讀出”的存儲(chǔ)媒介。

由于低維半導(dǎo)體載流子類型在針尖掃描電場(chǎng)作用下會(huì)發(fā)生改變,這導(dǎo)致其發(fā)光強(qiáng)度也會(huì)出現(xiàn)明顯變化。

因此結(jié)合掃描圖形任意編輯的特點(diǎn),科研人員就可以設(shè)計(jì)出周期性變化的陣列。

這些陣列圖形的每個(gè)區(qū)域都經(jīng)過(guò)針尖去控制它的載流子類型,進(jìn)而控制低維材料的發(fā)光強(qiáng)度,然后通過(guò)一個(gè)相機(jī)拍照就能直接獲取一張熒光強(qiáng)度照片。

每一個(gè)存儲(chǔ)單元的信息都在這張照片里“一目了然”,暗的單元可以用來(lái)代表存儲(chǔ)態(tài)中的“0”,亮的單元可以用來(lái)表示“1” ,類似于一種新型存儲(chǔ)“光盤”。

科研人員可以簡(jiǎn)單直接地通過(guò)拍熒光照片的方式同時(shí)獲取每個(gè)存儲(chǔ)單元的信息。

運(yùn)用該技術(shù),若用電壓讀出的方式,理論上的存儲(chǔ)密度可以達(dá)到幾個(gè)T-Byte/in2。

本研究由中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所與復(fù)旦大學(xué)、華東師范大學(xué)、南京大學(xué),中國(guó)科學(xué)院微電子研究所等多個(gè)課題組合作完成。

研究成果已于2020年1月24日,發(fā)表于《自然-電子學(xué)》,文章標(biāo)題“Programmable transition metal dichalcogenide homojunctions controlled by nonvolatile ferroelectric domains”。