硅的替代者，新突破

展会名称：2024长三角（杭州）国际半导体及集成电路博览会

时间：2024年10月23-25日

地点：杭州国际博览中心

展馆详细地址：杭州市萧山区盈丰街道奔竞大道353号

来源：内容由半导体行业观察（ID：icbank）编译自IEEE，谢谢。

研究人员正在利用世界上最细的金属线作为栅极电极（控制晶体管打开和关闭的关键部件），制作出微型晶体管。

研究人员没有使用硅或金属，而是用二硫化钼（molybdenum disulfide）制作了这种栅极——这种半导体可能在未来几十年取代硅。当两片错位的 MoS2碎片结合在一起时，它们的边界会变成一条只有 0.4 纳米厚的导线，比当今最先进 CPU 中晶体管的最小部件还要小得多。研究人员大多位于韩国大田基础科学研究所，他们将这条导线集成为超小型晶体管的关键组件。

他们的工作标志着首次有人利用这些边界线来制造晶体管。他们的方法可能不会很快投入商业生产，但这一壮举可能会鼓励研究人员进一步探索这种线并在未来几年制造出更多实用的晶体管。

二硫化钼是二维半导体的一个典型例子。当今使用的硅和其他半导体需要复杂的第三维才能正常工作。但顾名思义，二维半导体可以构建在平面层中。

石墨烯（一层碳原子）可能是最著名的二维材料，但科学家和工程师在MoS2和类似的所谓过渡金属二硫化物方面取得了令人难以置信的进展。就MoS2而言，该化合物的分子结构使其厚度仅为三个原子（约 0.4 纳米）。

二硫化钼在缩小晶体管的栅极长度（源极和漏极之间的距离）方面可能具有另一个关键优势，电荷载流子进入和离开晶体管，最先进的研究已经推动了硅可能的栅极长度最小到 5 纳米左右，但硅晶体管的栅极长度越短，当它处于关闭状态时就越容易漏电。二硫化钼的带隙较大，可能使其具有更强的防漏能力。

当然，研究人员仍然没有确定制造具有亚纳米栅极长度的MoS2晶体管的方法。一些实验室已经通过使用不同的材料作为栅极来实现这一点——制造具有薄栅极的MoS2晶体管，该栅极由单层石墨烯或单个碳纳米管的边缘制成（本质上是将石墨烯卷成非常薄的管子）。

基础科学研究所的研究人员想知道他们是否需要另一种材料，或者是否可以依赖MoS2本身的一个奇特特性。

当MoS2在蓝宝石（一种常见的 2D 半导体衬底）上生长时，该材料倾向于以两种可能的方向之一生长，每个方向彼此错开 60 度。如果你让一个方向的一块接触另一个方向的一块，两者将在边界处形成一条线，就像一条角度奇怪的道路，两个错开的城市街道网格相遇。

材料科学家几年前就已经知道这些边界线，并称之为镜像孪生边界 (MTB：mirror twin boundaries)。其中一位测量结果表明，厚度为 0.4 纳米的 MTB 是迄今为止制造的最薄的导线。基础科学研究所的研究人员认为，他们可以将这些导线用作由周围材料构成的晶体管的栅极。

为了实现这一目标，研究人员首先从两块错位的二硫化钼碎片开始，中间是 MTB 线。在它的上面，他们放置了一层薄薄的氧化铝作为绝缘体。在它的上面，他们放置了另一层原子厚度的硫化钼，然后在上面放置了增加了源极和漏极电极。总共，他们用超薄栅极电极制造了总共 36 个功能性 FET。

研究人员乐观地认为，他们的技术或类似的技术有朝一日可能会成为制造设备的基础。基础科学研究所研究员、研究人员之一Jo Moon-Ho在一份声明中表示：“预计它将成为未来开发各种低功耗、高性能电子设备的关键技术。”未来，研究人员可能能够 通过更好地控制电线的特性来设计电子产品。

然而，斯坦福大学电气工程师Eric Pop （他研究 MoS 2，并未参与这项研究）对boundary 的方法从实验室过渡到工厂的可能性并不乐观。“我认为它作为栅极电极的用途不是工业应用的途径，”Pop 说。“栅极必须是金属，并被图案化成电路几何形状，”他说，否则工程师将失去控制栅极阈值电压的关键能力。

此外，Pop 表示，像 Moon 和同事那样在蓝宝石上生长二维半导体并不理想。在蓝宝石上培育后，必须费力地将二维材料转移到硅晶片上。相反，Pop 表示，实用的二维半导体应该直接在二氧化硅或硅等材料上生长。

尽管波普有所顾虑，他仍然称这项研究是“良好的科学成果”，对于研究MTBs的科学家来说尤其有用。

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