单层半导体晶体管图形
单层半导体晶体管的图解。(由研究人员提供)

原子薄材料是硅基晶体管的一个很有前途的替代品;现在研究人员可以更有效地将它们与其他芯片元件连接起来。

著名的摩尔定律预言,封装在微芯片上的晶体管数量每隔几年将翻一番,这一定律已经达到了基本的物理极限。这些限制可能会使几十年的进展停顿——除非找到新的方法。

一个正在探索的新方向是,使用原子薄材料代替硅作为新晶体管的基础,但事实证明,将这些“2D”材料与其他传统电子元件连接起来很困难。

现在,麻省理工学院(MIT)、加州大学伯克利分校(University of California at Berkeley)、台湾积体电路制造有限公司(Taiwan Semiconductor Manufacturing Company)以及其他机构的研究人员发现了一种制造这些电子连接的新方法,这可能有助于释放2D材料的潜力,并进一步缩小元件研究人员说,这可能足以推广摩尔定律,至少在不久的将来是这样。

“我们解决了半导体器件小型化的最大问题之一,金属电极和单层半导体材料之间的接触电阻,”Cong Su博士说,他现在在加州大学伯克利分校。解决方案很简单:用半金属元素铋代替普通金属与单层材料连接。

这种超薄的单层材料,在这种情况下是二硫化钼,被认为是一种主要的竞争者,可以绕过目前硅基晶体管技术所面临的小型化限制。但是根据Su的说法,在这种材料和金属导体之间创造一个高效、高导电性的界面,使它们彼此连接,并与其他设备和电源连接,是阻碍这种解决方案进展的一个挑战。

金属和半导体材料(包括这些单层半导体)之间的界面产生一种称为金属诱导隙态的现象,它导致肖特基势阵的形成,这是一种抑制载流子流动的现象。半金属(其电子性能介于金属和半导体之间)的使用,加上两种材料之间适当的能量排列,最终解决了这个问题。

宇轩林博士解释说,小型化的快速晶体管组成的计算机处理器和内存芯片已经停滞之前,大约在2000年,直到一个新的发展,允许三维体系结构的半导体器件芯片打破了僵局,2007年恢复快速进展。但现在,他说,“我们认为我们正处于另一个瓶颈的边缘。”

所谓的二维材料,薄片厚度仅有一个或几个原子,满足所有的要求使进一步小型化的晶体管的飞跃,可能减少几次一个叫做通道长度的关键参数——从大约5到10纳米,在当前先进的芯片,事实上规模。各种这样的材料正在被广泛探索,包括一个称为过渡金属双硫属化合物的家族。新实验中使用的二硫化钼就属于这一类。与此类材料实现低电阻金属接触的问题也阻碍了对这些新型单层材料的物理基础研究。由于现有的连接方法具有如此高的电阻,用来监测材料中电子行为的微小信号太弱而无法通过。

弄清楚如何在商业级别上扩展和集成这样的系统可能需要一些时间,并需要进一步的工程。但研究人员表示,对于这些物理应用来说,新发现的影响可以很快感受到。

与此同时,研究人员继续进行进一步的探索,继续缩小他们的设备的尺寸,并寻找其他材料的配对,以便更好地与其他类型的载流子——空穴进行电接触。他们解决了所谓的n型晶体管的问题,但如果他们能找到一种通道和电接触材料的组合,使单层p型晶体管也成为可能,这将为下一代芯片打开许多新的可能性,他们说。