本文來自微信公眾號“電子發(fā)燒友網(wǎng)”，作者/黃山明。
1965年，英特爾聯(lián)合創(chuàng)始人戈登·摩爾提出了著名的“摩爾定律”，它預測每隔18至24個月，芯片上可容納的晶體管數(shù)量將翻倍，從而帶來性能提升或成本下降。但隨著晶體管尺寸逼近物理極限，進一步縮小變得越來越困難，這時就需要新材料的出現(xiàn)，來作為傳統(tǒng)硅基芯片的替代品，從而延續(xù)摩爾定律。
據(jù)外媒報道，美國能源部普林斯頓等離子體物理實驗室（PPPL）研究人員正在研發(fā)下一代芯片，這種芯片具有更小、更薄、更高效的特點，更值得注意的是，該芯片使用的材料為過渡金屬二硫化物（Transition Metal Dichalcogenides，TMD）而非傳統(tǒng)的硅（Si）。
硅基芯片的缺陷
1954年，貝爾實驗室的約翰·巴丁、沃爾特·布拉頓和威廉·肖克利因發(fā)明晶體管而獲得諾貝爾物理學獎。這一發(fā)明不僅改變了整個電子產(chǎn)業(yè)的發(fā)展軌跡，還奠定了現(xiàn)代信息社會的基礎(chǔ)。并且，晶體管的發(fā)明也被譽為20世紀最重要的發(fā)明之一。
不過在最開始，晶體管主要使用鍺作為半導體材料。一方面受限于當時的技術(shù)，鍺相對于硅來說更容易進行提純和加工。鍺的熔點比硅低，這使得它在制造過程中更容易處理。此外，鍺的摻雜技術(shù)在當時更為成熟，能夠更可靠地控制材料的導電性能。
同時鍺的禁帶寬度比硅?。ㄦN的禁帶寬度約為0.67 eV，而硅的禁帶寬度約為1.12 eV）。這意味著鍺在室溫下就能容易地產(chǎn)生自由載流子（電子和空穴），從而更容易導電。這對于早期的晶體管技術(shù)來說非常重要，因為它使得鍺在室溫下就可以有效地工作，而不需要額外的加熱或其他條件。
并且在晶體管發(fā)明之前，鍺已經(jīng)被廣泛研究用于其他電子應用，例如點接觸整流器。這種研究基礎(chǔ)使得鍺成為自然的選擇，因為科學家和工程師對鍺的性質(zhì)已經(jīng)有了一定程度的了解。
但鍺作為半導體材料也有其明顯的缺點，主要是在溫度上升時其性能會下降。鍺的電阻率隨溫度升高而迅速下降，這意味著在高溫環(huán)境下，鍺基晶體管可能會變得不穩(wěn)定。
隨著1959年羅伯特·諾伊斯和安迪·格魯夫等人在仙童半導體公司改進了集成電路的設(shè)計，采用平面工藝，使得硅成為制造集成電路的主要材料。并在隨后的產(chǎn)業(yè)中，硅慢慢取代了鍺。
但在發(fā)展半個世紀后，當前的硅基芯片已經(jīng)開始面臨著一些顯著的問題，大多與物理極限、經(jīng)濟型和環(huán)境因素有關(guān)。如隨著晶體管尺寸的減小，量子效應如隧道效應開始顯現(xiàn)，導致電流泄漏和信號干擾，這降低了芯片的性能和可靠性。同時小尺寸晶體管會產(chǎn)生更多的熱量，散熱問題變得越來越嚴重，這限制了芯片的性能和密度。
如果使用其他材料來替代硅基制作芯片，就有可能解決這些問題。近幾年來科研人員探索了許多新的材料如砷化鎵（GaAs）、磷化銦（InP），可以在高頻和高功率應用中表現(xiàn)出優(yōu)勢，而銦鎵鋅氧化物（IGZO），可以用于制造透明、柔性電子器件。
其中，TMD包括MoS2在內(nèi)的一系列化合物，因其出色的光電、機械和熱性能，被廣泛視為后硅基半導體時代延續(xù)摩爾定律的理想候選材料之一。
芯片材料從三維走向二維
所謂的TMD是一類具有MX2型結(jié)構(gòu)的半導體材料，其中M代表過渡金屬（如Mo、W等），X代表硫?qū)僭兀ㄈ鏢、Se、Te）。這類材料因其獨特的能帶結(jié)構(gòu)、半導體或超導性質(zhì)以及優(yōu)秀的機械性能等，在納米電子器件和光電子學等領(lǐng)域具有廣闊的應用前景。特別是單層的TMD，例如MoS2，因其直接帶隙的特性在光電探測領(lǐng)域顯示出巨大的潛力。
據(jù)美國PPPL的研究人員透露，TMD可以薄至三個原子，靠外的兩層可以采用硫族元素，或者也可以稱為氧族元素。而中間的那層，可以用任何的過渡金屬替代。
由于這種材料太薄，導致任何一層出現(xiàn)確實或者多出原子等微小的變化，都會影響到材料的性能。盡管這種變化被稱為“缺陷”，但并不意味著這種“缺陷”是有害的。
研究人員表示，可以根據(jù)缺陷的類型和性質(zhì)來獲得有益的材料，例如可以在材料中產(chǎn)生過量的電子，讓其成為n型（即具有更多電子的材料）或產(chǎn)生更多的空穴形成p型（即具有更多空穴或正電荷的材料）。
在計算機芯片中使用n型和p型材料的組合可以提供更好的導電性，當前的一些半導體技術(shù)是通過摻雜來獲得類似的特性。
并且與硅半導體相比，TMD具有可調(diào)節(jié)的帶隙，可通過改變層數(shù)來控制，最薄時只有一層，高度僅有三個原子。這也意味著相比過去的硅基材料，TMD可以使用不同的材料來制造，既靈活又耐用。
早在2021年，南京工業(yè)大學先進材料研究院黃維院士、閆家旭研究員團隊便發(fā)表了相關(guān)論文，其中提到通過堆垛工程，可以在原子水平上調(diào)控TMD的光電性質(zhì)，為后摩爾時代新器件的設(shè)計提供新的維度。開展二維材料堆垛調(diào)控研究將為后摩爾時代新器件的設(shè)計提供新的維度，從源頭上解決集成工藝的兼容性問題，在芯片的基礎(chǔ)問題研究和助推我國半導體芯片自主發(fā)展兩方面都具有重要意義。
當然，盡管這種材料非常夢幻，但研究仍處于相對基礎(chǔ)的階段，許多材料尚未被深入研究或合成，實際應用中還存在著穩(wěn)定性、可制造性以及與現(xiàn)有硅基技術(shù)的兼容性等問題。
此外，TMD的電子器件性能，如載流子遷移率等，雖然具有潛在的優(yōu)勢，但目前尚未達到可以完全取代硅的水平。
從當前芯片的發(fā)展路徑來看，臺積電已經(jīng)朝著1nm制程芯片進發(fā)，而其他公司也相繼推出了2036年前亞納米晶體管的發(fā)展路線圖，而英特爾已經(jīng)在研究用TMD制造晶體管。PPPL的研究院認為，到2030年，有望擁有一個可用于設(shè)備的真正TMD晶體管。
總結(jié)
硅長期以來一直是集成電路制造的主要材料，但隨著技術(shù)節(jié)點的不斷縮小，硅基芯片遇到了物理極限和經(jīng)濟效率問題。這就需要有新的材料來替代硅從而延續(xù)摩爾定律，TMD就是其中之一，其在理論上具備延續(xù)摩爾定律的潛力，但要實現(xiàn)這一點，還需要在材料合成、器件加工和性能優(yōu)化等方面取得更多突破性進展。隨著科研工作者的不斷努力，TMD在未來半導體技術(shù)中的應用前景是值得期待的。
