在尋求保持摩爾定律繼續(xù)生效的過程中，您可能會想要進一步縮小晶體管，直到最小的部分只有一個原子厚。但不幸的是，這不適用于硅，因為它的半導體特性需要第三維。但是有一類材料可以充當半導體，即使它們是二維的。一些最大的芯片公司和研究機構(gòu)的新結(jié)果表明，一旦達到硅的極限，這些2D半導體可能是一條很好的前進道路。
本周在舊金山舉行的IEEE國際電子設備會議上，英特爾、斯坦福和臺積電的研究人員針對制造2D晶體管最棘手的障礙之一提出了單獨的解決方案：半導體相遇處的電阻尖峰金屬觸點（sharpspikesofresistanceattheplaceswherethesemiconductormeetsmetalcontacts）。與此同時，imec的工程師展示了他們?nèi)绾螢檫@些新型材料的商業(yè)級制造掃清道路，并展示了未來二維晶體管可能有多小。北京和武漢的研究人員也構(gòu)建了最先進類型的硅器件的二維等效物。
“硅已經(jīng)達到極限，”斯坦福大學電氣工程教授KrishnaSaraswat說。“人們聲稱摩爾定律已經(jīng)結(jié)束，但在我看來情況并非如此。摩爾定律可以通過進入第三維來繼續(xù)，替代硅，2D半導體越來越近。”為此，你需要二維半導體或類似的東西，Saraswat說，他與斯坦福大學教授EricPop和臺積電的H.-S. PhilipWong在3D芯片上做研究。由于它們有可能縮小到小尺寸和相對較低的處理溫度，二維半導體可以構(gòu)建在多層中。
二維半導體屬于一類稱為過渡金屬二硫?qū)倩锏牟牧稀Ｆ渲校芯康米詈玫氖嵌蚧f（molybdenumdisulfide）。另一個這樣的2D材料是二硫化鎢（tungstendisulfide），它擁有比MoS2更快的速度。但在英特爾的實驗中，MoS2的設備是更優(yōu)越的。
或許二維半導體面臨的最大障礙是與它們建立低電阻連接。這個問題被稱為“Fermi-levelpinning”，這意味著金屬觸點和半導體的電子能量之間的不匹配會對電流產(chǎn)生高阻勢壘。這種肖特基勢壘的產(chǎn)生的原因是因為界面附近的電子流入低能量材料，留下一個電荷耗盡的區(qū)域來抵抗電流。現(xiàn)在的目標是使該區(qū)域變得微不足道，讓電子可以毫不費力地穿過它。
Saraswat的學生AravindhKumar在IEDM上提出了一個解決方案。在之前的研究中，金是與MoS2形成晶體管的首選觸點。但是沉積金和其他高熔點金屬會損壞二硫化鉬，使屏障問題變得更糟。因此，Kumar試驗了熔點在數(shù)百攝氏度以下的銦和錫。
沉積黃金會破壞二維半導體。但銦和錫不會造成損害。
但這些值太低，以至于這些金屬會在芯片加工和封裝過程的后期熔化，這會使芯片暴露在300-500攝氏度的溫度下。更糟糕的是，金屬在加工過程中會氧化。在試圖解決后一個問題的同時，Kumar修復了前者。答案是將低熔點金屬與金合金化。銦或錫首先沉積在MoS2上，保護半導體，然后用金覆蓋以遠離氧氣。該過程產(chǎn)生了具有270歐姆-微米電阻的錫金合金和具有190歐姆-微米電阻的銦金合金。并且這兩種合金都應該在至少450攝氏度下保持穩(wěn)定。
臺積電和英特爾這兩個晶圓制造競爭對手則分別找到了不同的解決方案——銻。臺積電企業(yè)研究部低維研究經(jīng)理HanWang解釋說，這個想法是通過使用半金屬作為觸點材料來降低半導體和觸點之間的能壘。半金屬（Semimetals：例如銻）就像它們位于金屬和半導體之間的邊界并且具有零帶隙的材料。由此產(chǎn)生的肖特基勢壘非常低，這就使得臺積電和英特爾設備的電阻都很低。
臺積電此前曾與另一種半金屬鉍合作。但它的熔點太低。曾與斯坦福大學的Wong合作過的Wang說，銻更好的熱穩(wěn)定性意味著它將與現(xiàn)有的芯片制造工藝更兼容，從而產(chǎn)生更持久的設備，并在芯片制造工藝的后期提供更大的靈活性。臺積電首席科學家。
imec探索邏輯項目經(jīng)理IngeAsselberghs表示，除了制造更好的設備外，imec的研究人員還對尋找在商用300毫米硅晶圓上集成2D半導體的途徑感興趣。使用300毫米晶圓，imec探索2D設備最終可能會變得多小。研究人員使用二硫化鎢作為半導體，形成了雙柵極晶體管，其中WS2夾在控制電流流過的頂部和底部電極之間。通過使用圖案化技巧，他們設法將頂柵縮小到5納米以下。該特定設備的性能并不是特別好，但研究指出了改進它的方法。
另外，在本周晚些時候公布的研究中，imec將展示300毫米兼容工藝優(yōu)化步驟，以通過包括鋁酸釓夾層（gadoliniumaluminateinterlaye）等來改善MoS2晶體管特性。
Imec制造了柵極長度小于5納米的二硫化鎢晶體管。
雖然像imec這樣的雙門器件是二維研究的標準，但北京大學和武漢國家強磁場中心（WuhanNationalHighMagneticFieldCenter）的工程師更進一步。今天的硅邏輯晶體管（稱為FinFET）具有一種結(jié)構(gòu)，其中電流流過硅的垂直鰭片，并由覆蓋在鰭片三側(cè)上的柵極控制。但是，為了繼續(xù)縮小設備的尺寸，同時仍然驅(qū)動足夠的電流通過它們，領先的芯片制造商正在轉(zhuǎn)向納米片設備。在這些中，半導體帶堆疊起來；每個四面都被大門包圍。由YanqingWu領導的北京研究人員使用兩層MoS2模擬了這種結(jié)構(gòu).事實證明，該設備不僅僅是其各部分的總和：與其單層設備相比，2D納米片的跨導要好于兩倍以上，這意味著對于給定的電壓，它驅(qū)動的電流是兩倍多。
英特爾模擬了堆疊式二維設備的更極端版本。它的研究人員使用六層MoS2和只有5納米的柵極長度，而不是北京設備的兩層和100納米。與具有相同垂直高度和15納米柵極長度的模擬硅器件相比，二維器件封裝了兩個更多的納米片并且性能更好。盡管電子通過MoS2的速度比通過硅的速度要慢，并且接觸電阻要高得多，但所有這一切都是如此。
隨后，Wu和同事又朝著模仿硅器件制造商的近期計劃邁出了一步。根據(jù)定義，CMOS芯片由成對的N-MOS和P-MOS器件組成。作為將更多設備塞入同一硅片區(qū)域的一種方式，芯片制造商希望將這兩種類型的設備堆疊在一起，而不是并排排列。英特爾在去年的IEDM上展示了這種稱為互補FET(CFET)的硅器件。Wu的團隊通過用二硒化鎢替換堆疊器件中的MoS2層之一來嘗試相同的方法。然后，通過修改源極和漏極之間的連接，2DCFET變成了一個反相器電路，其占位面積與單個晶體管基本相同。
在二維半導體在大規(guī)模制造中獲得一席之地之前，顯然還有很多工作要做，但隨著接觸電阻的進展和新實驗顯示的潛力，研究人員充滿希望。 |
