[行业动态]下一代半导体材料来袭

1965年，英特尔联合创始人戈登·摩尔提出了著名的“摩尔定律”，它预测每隔18至24个月，芯片上可容纳的晶体管数量将翻倍，从而带来性能提升或成本下降。但随着晶体管尺寸逼近物理极限，进一步缩小变得越来越困难，这时就需要新材料的出现，来作为传统硅基芯片的替代品，从而延续摩尔定律。

据外媒报道，美国能源部普林斯顿等离子体物理实验室（PPPL）研究人员正在研发下一代芯片，这种芯片具有更小、更薄、更高效的特点，更值得注意的是，该芯片使用的材料为过渡金属二硫化物（Transition Metal Dichalcogenides，TMD）而非传统的硅（Si）。

硅基芯片的缺陷

1954年，贝尔实验室的约翰·巴丁、沃尔特·布拉顿和威廉·肖克利因发明晶体管而获得诺贝尔物理学奖。这一发明不仅改变了整个电子产业的发展轨迹，还奠定了现代信息社会的基础。并且，晶体管的发明也被誉为20世纪最重要的发明之一。

不过在最开始，晶体管主要使用锗作为半导体材料。一方面受限于当时的技术，锗相对于硅来说更容易进行提纯和加工。锗的熔点比硅低，这使得它在制造过程中更容易处理。此外，锗的掺杂技术在当时更为成熟，能够更可靠地控制材料的导电性能。

同时锗的禁带宽度比硅小（锗的禁带宽度约为0.67 eV，而硅的禁带宽度约为1.12 eV）。这意味着锗在室温下就能容易地产生自由载流子（电子和空穴），从而更容易导电。这对于早期的晶体管技术来说非常重要，因为它使得锗在室温下就可以有效地工作，而不需要额外的加热或其他条件。

并且在晶体管发明之前，锗已经被广泛研究用于其他电子应用，例如点接触整流器。这种研究基础使得锗成为自然的选择，因为科学家和工程师对锗的性质已经有了一定程度的了解。

但锗作为半导体材料也有其明显的缺点，主要是在温度上升时其性能会下降。锗的电阻率随温度升高而迅速下降，这意味着在高温环境下，锗基晶体管可能会变得不稳定。

随着1959年罗伯特·诺伊斯和安迪·格鲁夫等人在仙童半导体公司改进了集成电路的设计，采用平面工艺，使得硅成为制造集成电路的主要材料。并在随后的产业中，硅慢慢取代了锗。

但在发展半个世纪后，当前的硅基芯片已经开始面临着一些显著的问题，大多与物理极限、经济型和环境因素有关。如随着晶体管尺寸的减小，量子效应如隧道效应开始显现，导致电流泄漏和信号干扰，这降低了芯片的性能和可靠性。同时小尺寸晶体管会产生更多的热量，散热问题变得越来越严重，这限制了芯片的性能和密度。

如果使用其他材料来替代硅基制作芯片，就有可能解决这些问题。近几年来科研人员探索了许多新的材料如砷化镓（GaAs）、磷化铟（InP），可以在高频和高功率应用中表现出优势，而铟镓锌氧化物（IGZO），可以用于制造透明、柔性电子器件。

其中，TMD包括MoS2在内的一系列化合物，因其出色的光电、机械和热性能，被广泛视为后硅基半导体时代延续摩尔定律的理想候选材料之一。

芯片材料从三维走向二维

所谓的TMD是一类具有MX2型结构的半导体材料，其中M代表过渡金属（如Mo、W等），X代表硫属元素（如S、Se、Te）。这类材料因其独特的能带结构、半导体或超导性质以及优秀的机械性能等，在纳米电子器件和光电子学等领域具有广阔的应用前景。特别是单层的TMD，例如MoS2，因其直接带隙的特性在光电探测领域显示出巨大的潜力。

据美国PPPL的研究人员透露，TMD可以薄至三个原子，靠外的两层可以采用硫族元素，或者也可以称为氧族元素。而中间的那层，可以用任何的过渡金属替代。

由于这种材料太薄，导致任何一层出现确实或者多出原子等微小的变化，都会影响到材料的性能。尽管这种变化被称为“缺陷”，但并不意味着这种“缺陷”是有害的。

研究人员表示，可以根据缺陷的类型和性质来获得有益的材料，例如可以在材料中产生过量的电子，让其成为n型（即具有更多电子的材料）或产生更多的空穴形成p型（即具有更多空穴或正电荷的材料）。

在计算机芯片中使用n型和p型材料的组合可以提供更好的导电性，当前的一些半导体技术是通过掺杂来获得类似的特性。

并且与硅半导体相比，TMD具有可调节的带隙，可通过改变层数来控制，最薄时只有一层，高度仅有三个原子。这也意味着相比过去的硅基材料，TMD可以使用不同的材料来制造，既灵活又耐用。

早在2021年，南京工业大学先进材料研究院黄维院士、闫家旭研究员团队便发表了相关论文，其中提到通过堆垛工程，可以在原子水平上调控TMD的光电性质，为后摩尔时代新器件的设计提供新的维度。开展二维材料堆垛调控研究将为后摩尔时代新器件的设计提供新的维度，从源头上解决集成工艺的兼容性问题，在芯片的基础问题研究和助推我国半导体芯片自主发展两方面都具有重要意义。

当然，尽管这种材料非常梦幻，但研究仍处于相对基础的阶段，许多材料尚未被深入研究或合成，实际应用中还存在着稳定性、可制造性以及与现有硅基技术的兼容性等问题。

此外，TMD的电子器件性能，如载流子迁移率等，虽然具有潜在的优势，但目前尚未达到可以完全取代硅的水平。

从当前芯片的发展路径来看，台积电已经朝着1nm制程芯片进发，而其他公司也相继推出了2036年前亚纳米晶体管的发展路线图，而英特尔已经在研究用TMD制造晶体管。PPPL的研究院认为，到2030年，有望拥有一个可用于设备的真正TMD晶体管。

总结

硅长期以来一直是集成电路制造的主要材料，但随着技术节点的不断缩小，硅基芯片遇到了物理极限和经济效率问题。这就需要有新的材料来替代硅从而延续摩尔定律，TMD就是其中之一，其在理论上具备延续摩尔定律的潜力，但要实现这一点，还需要在材料合成、器件加工和性能优化等方面取得更多突破性进展。随着科研工作者的不断努力，TMD在未来半导体技术中的应用前景是值得期待的。