用2D半导体替代硅？科学家找到延续摩尔定律新方法

电子工程世界 2021-12-21 07:30

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早在 1965 年，计算机科学家戈登 · 摩尔（Gordon Moore）首先提出假设：集成电路上可以容纳的晶体管数目在大约每经过 18 个月便会增加一倍，同时计算机的运行速度和存储容量也翻一番。这就是半导体领域著名的摩尔定律。现在，一个指甲大小的芯片可以承载数百亿个晶体管，与此同时，可以塞进单个芯片的晶体管数量几乎达到了极限。

为了让摩尔定律继续下去，你可能会想到把晶体管缩小到只有原子厚度。不幸的是，这种想法不适用于硅。因为硅的半导体特性需要第三维度。但有一类材料可以充当半导体，尽管它们是二维的。一些芯片公司和研究机构最新结果表明，一旦硅达到极限，这些 2D 半导体可能是一个很好选择。

近日，在旧金山举行的 2021 IEEE 国际电子设备会议 (IEDM 2021) 上，来自英特尔、斯坦福和台积电的研究人员针对制造 2D 晶体管最棘手的障碍之一提出了单独的解决方案：在半导体与金属接触的地方有尖锐的电阻尖峰。与此同时，来自校际微电子中心 IMEC 的工程师展示了他们如何为商业级晶体管制造工艺扫清道路，并展示了未来 2D 晶体管最小会达到什么程度。此外，来自北京和武汉的研究人员已经构建了硅器件 2D 等效物。

英特尔、斯坦福和台积电等探索 2D 半导体

来自斯坦福大学的电气工程教授 Krishna Saraswat 表示：硅已经达到极限，人们声称摩尔定律已经结束，但在我看来情况并非如此。摩尔定律可以继续进入第三维度。为此，我们需要 2D 半导体或类似的东西。Saraswat 教授与同来自斯坦福大学的 Eric Pop 教授和 H.-S. Philip Wong 教授一起研究 3D 芯片。

2D 半导体属于一类称为过渡金属二硫属化物（transition metal dichalcogenides）的材料。其中，研究最广泛的是二硫化钼（MoS_2）。理论上，与二硫化钼相比，电子应该更快的穿过二硫化钨（另一种 2D 材料）。但在英特尔的实验中，二硫化钼器件更胜一筹。

在之前的研究中，金是与二硫化钼形成晶体管的首选触点，但是沉积金（depositing gold）和其他高熔点金属会损坏二硫化钼。因此，Krishna Saraswat 教授学生 Aravindh Kumar 试验了熔点在数百摄氏度以下的铟和锡。

但铟和锡熔点值太低，以至于在芯片后期的加工和封装过程中（这时芯片暴露在高达 300-500 摄氏度的温度下）这些金属会熔化。更糟糕的是，这些金属在加工过程中会被氧化。Kumar 通过将低熔点金属与金进行融合，形成合金来解决。首先 Kumar 将铟或锡沉积在二硫化钼上，以保护半导体，然后用金覆盖以隔离氧气。该过程产生了具有 270 欧姆 - 微米电阻的锡金合金和具有 190 欧姆 - 微米电阻的铟金合金，并且这两种合金在至少 450 摄氏度下保持稳定。

沉积金破坏了 2D 半导体。但是铟和锡沉积在二硫化钼上，保护半导体

与 Kumar 研究不同的是，芯片制造商台积电和英特尔找到了不同的解决方案——锑。台积电专门研究低维芯片的 Han Wang 表示，通过使用半金属作为触点材料来降低半导体和触点之间的能量障碍。半金属（例如锑）是一种介于金属和半导体之间且带隙为零的材料，由此产生的肖特基势垒非常低，因而台积电和英特尔设备的电阻都很低。

此前，台积电曾研究过另一种半金属——铋，但它的熔点太低。Wang 表示，锑具有更好的热稳定性，这意味着它与现有的芯片制造工艺更兼容，产生更持久的器件，并允许芯片制造过程的后半部分具有更大的灵活性。

除了制造更好的器件之外，IMEC 的研究人员在探索商用 300 毫米硅晶圆上集成 2D 半导体的途径。使用 300 毫米晶圆，IMEC 探索了 2D 器件最终可以到达多小。研究人员使用二硫化钨作为半导体，进而形成了双栅极晶体管，其中二硫化钨夹在顶部和底部电极之间，控制电流通过。通过使用模式技巧，他们将顶部栅极缩小到 5 纳米以下。但是该特定设备的性能并不理想，不过研究者指出了改进方法。

IMEC 制造了一种栅极长度小于 5 纳米的二硫化钨晶体管

当今，主流的芯片架构采用横向传输场效应晶体管（FET），例如鳍式场效应晶体管（FinFET），因硅体类似鱼背鳍而得名。FinFET 在设计上沿着晶圆表面对晶体管分层，电流沿水平方向流动。但是，为了继续缩小器件的尺寸，同时仍然驱动足够的电流通过，领先的芯片制造商正在转向纳米级器件。

尽管像 IMEC 这样的双栅器件是 2D 研究的标准，但是，来自北京大学和国家脉冲强磁场科学中心的工程师们却更进一步。由吴燕庆教授领导的研究小组使用两层二硫化钼模拟了这种结构。事实证明，该器件不仅仅是其各部分的总和，与其单层器件相比，2D 纳米片的跨导要领先两倍，这意味着对于给定的电压，它可驱动的电流是其他器件的两倍多。

英特尔模拟了更极端版本的堆叠式 2D 器件，研究人员使用了六层二硫化钼和 5 纳米栅极长度，而吴燕庆教授领导研究小组只使用了两层二硫化钼和 100 纳米栅极长度。与具有相同垂直高度和 15 纳米栅极长度的模拟硅器件相比，2D 器件封装在两个纳米薄片中，性能更好。尽管电子通过二硫化钼的速度比通过硅的速度要慢，并且接触电阻要高得多。

CMOS 芯片由成对的 N-MOS 和 P-MOS 器件组成。为了将更多器件塞入硅片中，芯片制造商希望将这两种类型的器件堆叠在一起，而不是并排排列。在去年 IEDM 上，英特尔展示了这样一种硅器件，称为互补 FET (CFET) 。