原子厚度的二维材料,晶体管尺寸进一步缩小的新方法

日本采取对韩出口限制措施后，韩国国内正积极寻求日本氟化氢替代方案。三星电子与SK海力士等半导体公司紧急派遣采购小组以寻找氟化氢厂商。除了海外企业外，也努力寻求本土企业以实现供应国家多元化。

近些年，因为工艺的限制，和晶体管尺寸有关的摩尔定律也越来越多质疑会被打破。不过现在，奥地利的研究人员正在研究半导体领域下一项关键技术：他们的突破很可能为晶体管结构进一步缩小打开大门。

几十年来，微芯片中的晶体管变得越来越小。大约每两年，商用芯片上的晶体管数量可能翻一倍——这种现象也被称为“摩尔定律”。但是近些年，这一定律再没有见证新的提升，因为小型化几乎达到自然极限，在目前研究的几纳米范围内，人们所面临的已经是一个全新的问题了。

不过，现在出现了一种可能实现晶体管尺寸进一步缩小的新方法——使用原子厚度的二维（2D）材料。借助由氟化钙制成的新型绝缘层，维也纳技术大学（TU）现已成功制作出一种超薄的晶体管。与之前的技术相比，这种技术制成的晶体管具有更为优异电气性能，同时也因为厚度薄而大大地减小了尺寸。

近年来，科学界对晶体管制造所需半导体材料的研究取得了很大进展。与此同时，超薄半导体逐渐也可以只用几个原子层厚的2D材料来制造。不过，这些都还不足以用来制造那种尺寸非常小的晶体管。“为了制造这种非常小的晶体管，除了需要制造出超薄半导体外，还需要制造出一种超薄绝缘体，”维也纳技术大学微电子研究所的Tibor Grasser教授解释道。

这可以用晶体管基本结构来解释：晶体管结构上包括源极、栅极和漏极，源极和漏极间要产生电流，则需要在中间的栅极和衬底间施加电压以形成电场，这里为了能在施加电压后形成电场，栅极和半导体衬底之间就需要一层绝缘层。“目前研究领域一直在尝试的晶体管实验，都是基于超薄半导体搭配普通厚度的绝缘层，”Grasser解释道，“但是这样做并没有什么优势——首先，晶体管会因为含有普通厚度的绝缘层而呈现很大的尺寸，这样就没办法谈小型化了；第二点也很明显，那就是半导体本来就很敏感的电子特性会受到这种绝缘层表面的干扰。”

针对这种情况，Grasser团队的博士后Yury Illarionov采用了一种新颖的方法：“如果我们既明确定义半导体衬底面，同时又明确定义绝缘层面（比如离子晶体），那么就可以制作出一种尺寸只有几纳米的晶体管。这种晶体管的电学特性还会得到改善，因为离子晶体具有完全规则的表面，而这样的表面不会出现可能干扰电场的单个突出原子。“传统材料在第三维度（即垂直方向）上具有共价键，比如一些原子通过其底部和顶部的共价键和相邻材料的原子结合，”Grasser解释说，“而2D材料和离子晶体的情况就与此不同，因此它们不会影响相邻材料的电学性能。”

研究人员选择一种由原子厚度的氟化钙组成的绝缘层。该层由圣彼得堡的Joffe研究所制作，该期刊报道的第一作者Yury Illarionov在去维也纳工业大学之前也做过此类研究。不过，晶体管本身是在托马斯·穆勒教授的维也纳大学光子学研究所制作完成的，随后还在微电子研究所进行了相关测试。

虽然这只是一个原型产品，不过它还是超出了所有人的预期：“近年来，我们一再收到各种不同的晶体管来研究它们的技术特性 - 但我们从未见过设计有氟化物绝缘层的晶体管，”Grasser说，“比较它们的电气特性，该原型产品完全超过以往材料的测试结果。

现在，这些科学家们想进一步研究哪种绝缘层和半导体的组合效果会最好。这项技术可能还需要几年的时间才能真正用于商用计算机芯片，因为材料层的制造工艺仍有待改进。“不过，毫无疑问，我们认为由二维材料制成的晶体管将是未来研究的重要方向，”Grasser说，“从科学的角度来看，很明显这里提出的氟化物是目前绝缘层的最佳解决方案。

另外，对于计算机行业而言，这种更小，更快的晶体管将会支撑这个行业的下一次突破。