美国能源部罗伦斯伯克利国家实验室(Berkeley Lab)开发出一种结合采用2D石墨烯材料和二硫化钼(MoS2)晶体管的组装方法。
该方法在以石墨烯衬底的二氧化硅基板上蚀刻窄通道，接着再以过渡金属二硫属化物(TMDC)或更具体的是MoS2。这两种材料均为只有一原子层的2D结构。这种合成方法能够覆盖几平方公分大小的区域，从而开启了在晶圆厂以晶圆实现商用规模生产的可能性。
“这项成果可说是朝着在更小面积打造原子级电路或封装更多运算能力的可扩展、可重复之路跨出了一大步，”伯克利国家实验室资深研究员Xiang Zhang表示。
研究人员们着眼于仅有一个分子厚的2D晶体，作为延续摩尔定律的替代材料。这些晶体也至于受到硅晶的限制。
在此背景下，柏克来实验室的研究人员开发出一种生长单层半导体的方式，如TMDC MoS2，将导电石墨烯层蚀刻于通道中。采用两种原子层组合的方式形成纳米级接面，让石墨烯得以有效注入电子于MoS2信道的导电带。这些接面能够实现原子级厚度的晶体管，研究人员指出，相较于仅采用金属触点注入电流于TMDC的传统方法，这种采用2D材料组装电路的方式更有助于提高性能。
示意图显示2D晶体的化学组成。首先将石墨烯蚀刻于通道中，TMDC MoS2开始在通道内沿着边缘形成核心。在这些边缘上，MoS2稍微重迭在石墨烯顶部。最后，MoS2进一步生长的结果，完整地填充了这些通道。（来源：Berkeley Lab）
光学和电子显微镜影像，以及光谱映像，分别确认有关于成功形成与2D晶体功能性等各种不同方面。
研究团队将这些晶体管组装于逆变器的逻辑电路中，展示了这些结构的适用性，并进一步强调该技术适于于量产商用IC以及组装原子计算机。
伯克利国家实验室首席研究员暨伯克利大学(UC Berkeley)博士生Mervin Zhao表示，“这两种2D晶体能以兼容于现有半导体制造的方式，以晶圆级进行合成。藉由整合我们的技术与其他的生长系统，未来的运算可望完全以原子级晶体来完成。”
这项研究已发表于最新一期的《自然纳米技术》(Nature Nanotechnology)期刊中。
编译：Susan Hong
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