中國(guó)團(tuán)隊(duì)研究解決了減少傳統(tǒng)硅基芯片尺寸的關(guān)鍵障礙

中國(guó)科學(xué)家們研發(fā)出一種超薄半導(dǎo)體材料，這一進(jìn)展可能會(huì)帶來(lái)更快、更節(jié)能的微芯片。

由北京大學(xué)的劉開(kāi)輝、人民大學(xué)的劉燦和中國(guó)科學(xué)院物理研究所的張光宇領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)，開(kāi)發(fā)了一種制造方法，可以生產(chǎn)厚度僅為0.7納米的半導(dǎo)體材料。

研究人員的發(fā)現(xiàn)于7月5日發(fā)表在同行評(píng)議期刊《科學(xué)》上，解決了減少傳統(tǒng)硅基芯片尺寸的關(guān)鍵障礙——隨著設(shè)備的縮小，硅芯片遇到了影響其性能的物理極限。

這些科學(xué)家探討了二維（2D）過(guò)渡金屬二硫化物（TMDs）作為硅的替代品，其厚度僅為0.7納米，而傳統(tǒng)硅芯片的厚度通常為5-10納米。

TMDs還消耗更少的能量，并具有優(yōu)越的電子傳輸特性，使其成為下一代電子和光子芯片中超縮放晶體管的理想選擇。

然而，生產(chǎn)TMDs一直是一個(gè)挑戰(zhàn)——直到現(xiàn)在。根據(jù)論文，科學(xué)家們開(kāi)發(fā)的技術(shù)使他們能夠快速生產(chǎn)高質(zhì)量的七種配方的2D晶體，從而使大規(guī)模生產(chǎn)成為可能。

傳統(tǒng)的制造工藝涉及在基板上一層一層地組裝原子——就像用磚砌墻一樣——常常導(dǎo)致晶體純度不足，劉開(kāi)輝告訴新華社。

“這是由于晶體生長(zhǎng)中不可控的原子排列以及雜質(zhì)和缺陷的積累，”他說(shuō)。

團(tuán)隊(duì)在基板上排列了第一層原子，就像他們?cè)谶M(jìn)行傳統(tǒng)工藝一樣。然而，隨后的原子被添加在基板和第一層晶體之間，像竹筍一樣向上推動(dòng)形成新層。

“界面生長(zhǎng)”方法確保了每一層晶體的結(jié)構(gòu)由下方的基板決定，這也有效防止了缺陷的積累并提高了結(jié)構(gòu)的可控性。

北京大學(xué)網(wǎng)站上的一份聲明稱，研究中展示的技術(shù)實(shí)現(xiàn)了每分鐘50層的晶體層形成速度，最多可達(dá)到15,000層。

“每一層的原子排列都完全平行并且精確可控，”大學(xué)表示。

團(tuán)隊(duì)的高質(zhì)量2D晶體包括二硫化鉬、二硒化鉬、二硫化鎢、二硒化鎢、二硫化鈮、二硒化鈮和硫硒化鉬。

這些材料符合國(guó)際集成電路材料標(biāo)準(zhǔn)，包括國(guó)際設(shè)備和系統(tǒng)路線圖的電子遷移率目標(biāo)和頻率轉(zhuǎn)換能力，研究人員表示。

“這些2D晶體，作為集成電路中的晶體管材料使用時(shí)，可以顯著提高芯片集成度。在指甲大小的芯片上，晶體管的密度可以大幅增加，從而提升計(jì)算能力，”劉開(kāi)輝說(shuō)。