導(dǎo)讀
近日，紐約大學(xué)工學(xué)院領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)報(bào)告了原子級(jí)薄度處理器制造工藝中的一項(xiàng)重要突破。這一突破將對(duì)納米芯片制造工藝產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。
背景
目前，以硅為代表的傳統(tǒng)半導(dǎo)體材料正在面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。通過(guò)原理創(chuàng)新、結(jié)構(gòu)改善、工藝進(jìn)步，科研人員很難再大幅度提升硅基半導(dǎo)體器件的總體性能?！昂竽枙r(shí)代”已經(jīng)悄然到來(lái)。作為有望取代硅基半導(dǎo)體材料的新一代半導(dǎo)材料，近年來(lái)二維半導(dǎo)體的研究進(jìn)展迅猛。
石墨烯憑借機(jī)械強(qiáng)度高、導(dǎo)電導(dǎo)熱性好、輕薄、柔性、透明等優(yōu)勢(shì)，一度被譽(yù)為“新材料之王”，也讓二維材料成為了備受矚目的熱點(diǎn)。遺憾的是，石墨烯中獨(dú)特的碳原子排列，雖然有利于電子輕松地高速流動(dòng)，但也使之不適合作為半導(dǎo)體。石墨烯沒(méi)有帶隙，無(wú)法選擇”打開(kāi)“或者”關(guān)閉“電流，而這種二進(jìn)制開(kāi)關(guān)機(jī)制正是現(xiàn)代電子器件的基礎(chǔ)。
不過(guò)除了石墨烯之外，越來(lái)越多的二維材料被人類(lèi)發(fā)現(xiàn)并研究，其中也不乏可以作為半導(dǎo)體的二維材料，例如過(guò)渡金屬硫族化合物、黑磷等?？茖W(xué)家們已經(jīng)通過(guò)這些二維材料創(chuàng)造出諸多半導(dǎo)體器件，例如：
由二硫化鉬制成的超薄柔性微處理器（圖片來(lái)源：Stefan Wachter/維也納技術(shù)大學(xué)）
黑磷場(chǎng)效應(yīng)晶體管（圖片來(lái)源：參考資料【2】）
然而，在二硫化鉬（MoS2）為代表的二維半導(dǎo)體器件的制造工藝中，采用電子束光刻技術(shù)，將金屬電極納米刻畫(huà)到這種原子級(jí)二維材料的層上，目前會(huì)產(chǎn)生一些問(wèn)題，導(dǎo)致“非歐姆接觸”與“肖特基勢(shì)壘”。
創(chuàng)新
近日，美國(guó)紐約大學(xué)工學(xué)院化學(xué)與生物分子工程系教授 Elisa Riedo 領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)，報(bào)告了原子級(jí)薄度處理器制造工藝中的一項(xiàng)重要突破。這一發(fā)現(xiàn)不僅將對(duì)納米芯片制造工藝產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響，而且也將鼓舞全世界各個(gè)實(shí)驗(yàn)室中探索將二維材料應(yīng)用于更小更快的半導(dǎo)體的科學(xué)家們。
（圖片來(lái)源：紐約大學(xué)工學(xué)院）
團(tuán)隊(duì)將他們的科研成果發(fā)表在最近一期的《自然電子學(xué)（Nature Electronics）》期刊上。
技術(shù)
他們演示的這種刻蝕技術(shù)，采用了加熱至100攝氏度以上的探針，超越了在二硫化鉬等二維半導(dǎo)體上制造金屬電極的普遍方法?？茖W(xué)家們相信，這種過(guò)渡金屬屬于有望替代硅應(yīng)用于原子級(jí)微型芯片的材料。團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的新制造方法，稱(chēng)為“熱掃描探針刻蝕技術(shù)（t-SPL）”，相比于目前的電子束光刻技術(shù)（EBL）具有一系列優(yōu)勢(shì)。
（圖片來(lái)源：紐約大學(xué)工學(xué)院）
（圖片來(lái)源：紐約大學(xué)工學(xué)院）
t-SPL制造工藝（圖片來(lái)源：參考資料【3】）
價(jià)值
首先，熱刻蝕技術(shù)顯著提升了二維晶體管的質(zhì)量，抵消了肖特基勢(shì)壘。肖特基勢(shì)壘阻礙了二維襯底與金屬交界處的電子流動(dòng)。其次，不同于EBL，熱刻蝕技術(shù)使芯片制造者可輕松獲取二維半導(dǎo)體圖像，然后在期望的位置刻畫(huà)電極。再次， t-SPL 制造系統(tǒng)有望顯著減少初始投入以及運(yùn)營(yíng)成本：它們通過(guò)在一般環(huán)境條件下的運(yùn)作大幅降低功耗，無(wú)需生成高能電子以及超高真空。最后，這種熱加工方法很容易通過(guò)采用“并行”的熱探針來(lái)擴(kuò)展，從而應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)。
Riedo 表示，她希望 t-SPL 將許多加工過(guò)程帶出稀缺的凈室，帶入個(gè)人實(shí)驗(yàn)室。在凈室中，研究人員們必須為這些昂貴的設(shè)備爭(zhēng)取時(shí)間；而在個(gè)人實(shí)驗(yàn)室中，他們將迅速地推進(jìn)材料科研與芯片設(shè)計(jì)。3D打印機(jī)這個(gè)先例，就是一個(gè)很好的類(lèi)比。有朝一日，這些低于10納米分辨率的 t-SPL 工具，在普通環(huán)境條件下，依靠標(biāo)準(zhǔn)的120伏電源運(yùn)行，將遍及像她的實(shí)驗(yàn)室一樣的各個(gè)研究實(shí)驗(yàn)室。
關(guān)鍵字
二維材料、半導(dǎo)體、納米制造
參考資料
【1】https://engineering.nyu.edu/news/breakthrough-reported-fabricating-nanochips
【2】https://www.nature.com/articles/ncomms8702
【3】Xiaorui Zheng, Annalisa Calò, Edoardo Albisetti, Xiangyu Liu, Abdullah Sanad M. Alharbi, Ghidewon Arefe, Xiaochi Liu, Martin Spieser, Won Jong Yoo, Takashi Taniguchi, Kenji Watanabe, Carmela Aruta, Alberto Ciarrocchi, Andras Kis, Brian S. Lee, Michal Lipson, James Hone, Davood Shahrjerdi, Elisa Riedo. Patterning metal contacts on monolayer MoS2 with vanishing Schottky barriers using thermal nanolithography. Nature Electronics, 2019; 2 (1): 17 DOI: 10.1038/s41928-018-0191-0
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