中國團隊研究解決了減少傳統硅基芯片尺寸的關鍵障礙

中國科學家們研發出一種超薄半導體材料，這一進展可能會帶來更快、更節能的微芯片。

由北京大學的劉開輝、人民大學的劉燦和中國科學院物理研究所的張光宇領導的團隊，開發了一種制造方法，可以生產厚度僅為0.7納米的半導體材料。

研究人員的發現于7月5日發表在同行評議期刊《科學》上，解決了減少傳統硅基芯片尺寸的關鍵障礙——隨著設備的縮小，硅芯片遇到了影響其性能的物理極限。

這些科學家探討了二維（2D）過渡金屬二硫化物（TMDs）作為硅的替代品，其厚度僅為0.7納米，而傳統硅芯片的厚度通常為5-10納米。

TMDs還消耗更少的能量，并具有優越的電子傳輸特性，使其成為下一代電子和光子芯片中超縮放晶體管的理想選擇。

然而，生產TMDs一直是一個挑戰——直到現在。根據論文，科學家們開發的技術使他們能夠快速生產高質量的七種配方的2D晶體，從而使大規模生產成為可能。

傳統的制造工藝涉及在基板上一層一層地組裝原子——就像用磚砌墻一樣——常常導致晶體純度不足，劉開輝告訴新華社。

“這是由于晶體生長中不可控的原子排列以及雜質和缺陷的積累，”他說。

團隊在基板上排列了第一層原子，就像他們在進行傳統工藝一樣。然而，隨后的原子被添加在基板和第一層晶體之間，像竹筍一樣向上推動形成新層。

“界面生長”方法確保了每一層晶體的結構由下方的基板決定，這也有效防止了缺陷的積累并提高了結構的可控性。

北京大學網站上的一份聲明稱，研究中展示的技術實現了每分鐘50層的晶體層形成速度，最多可達到15,000層。

“每一層的原子排列都完全平行并且精確可控，”大學表示。

團隊的高質量2D晶體包括二硫化鉬、二硒化鉬、二硫化鎢、二硒化鎢、二硫化鈮、二硒化鈮和硫硒化鉬。

這些材料符合國際集成電路材料標準，包括國際設備和系統路線圖的電子遷移率目標和頻率轉換能力，研究人員表示。

“這些2D晶體，作為集成電路中的晶體管材料使用時，可以顯著提高芯片集成度。在指甲大小的芯片上，晶體管的密度可以大幅增加，從而提升計算能力，”劉開輝說。