芯片上“长”出原子级薄晶体管，可大幅提高集成电路密度

研究人员拿着一块8英寸的二硫化钼薄膜的CMOS晶圆。右边是研究人员开发的熔炉，使用不损害晶片的低温工艺在晶片上“生长”一层二硫化钼。图片来源：麻省理工学院

科技日报记者张佳欣

美国麻省理工学院一个跨学科团队开发出一种低温生长工艺，可直接在硅芯片上有效且高效地“生长”二维（2D）过渡金属二硫化物（TMD）材料层，以实现更密集的集成。这项技术可能会让芯片密度更高、功能更强大。相关论文发表在最新一期《自然·纳米技术》杂志上。

这项技术绕过了之前与高温和材料传输缺陷相关的问题，缩短了生长时间，并允许在较大的8英寸晶圆上形成均匀的层，这使其成为商业应用的理想选择。

新兴的人工智能应用，如产生人类语言的聊天机器人，需要更密集、更强大的计算机芯片。但半导体芯片传统上是用块状材料制造的，这种材料是方形的三维（3D）结构，因此堆叠多层晶体管以实现更密集的集成非常困难。然而，由超薄2D材料制成的晶体管，每个只有大约三个原子的厚度，堆叠起来可制造更强大的芯片。

让2D材料直接在硅片上生长是一个重大挑战，因为这一过程通常需要大约600℃的高温，而硅晶体管和电路在加热到400℃以上时可能会损坏。新开发的低温生长过程则不会损坏芯片。

过去，研究人员在其他地方培育2D材料后，再将它们转移到芯片或晶片上。这往往会导致缺陷，影响最终器件和电路的性能。此外，在晶片规模上顺利转移材料也极其困难。相比之下，这种新工艺可在8英寸晶片上生长出一层光滑、高度均匀的层。

这项新技术还能显著减少“种植”这些材料所需的时间。以前的方法需要一天多的时间才能生长出一层2D材料，而新方法可在不到一小时内在8英寸晶片上生长出均匀的TMD材料层。

研究人员表示，他们所做的就像建造一座多层建筑。传统情况下，只有一层楼无法容纳很多人。但有了更多楼层，这座建筑将容纳更多的人。得益于他们正在研究的异质集成，有了硅作为第一层，他们就可在顶部直接集成许多层的2D材料。