僅3個原子厚度，研究人員希望利用全新TMD材料來制造芯片

7月12日消息，隨著半導體制程工藝進入2nm，硅基晶體管的尺寸越來越小，越來越逼近物理極限，摩爾定律已死的論調也不絕于耳。對此，不少研究人員也正在積極開發新材料來替代硅，以期能夠打造成更小、更薄、更有效率的下一代芯片。其中，僅原子層厚度的二維層狀半導體材料近年備受矚目，比如過渡金屬二硫族化物（transition metal dichalcogenides，TMD），許多公司已在二維材料芯片投入大量資金。

據Tomshardware報道，最近，普林斯頓等離子物理實驗室（PPPL）物理學家Shoaib Khalid團隊在《2D Materials》期刊發表新論文，詳細介紹TMD原子結構可能發生的變化、發生原因及它們如何影響材料。這些信息為改進下一代芯片所需流程奠定基礎。

過渡金屬二硫族化物（TMD）材料關鍵特征是二維結構的大原子相互作用，如二碲化鎢（WTe2）表現出反常巨磁阻和超導性，其余如：二硫化鉬（MoS2）、二硫化鎢（WS2）、二硒化鉬（MoSe2）、二硒化鎢（WSe2）等，也都是極具潛質的二維層狀半導體材料。

研究人員解釋，TMD可以薄到僅3個原子厚度，把它想像成由硫族元素（硫、硒、碲）制成的金屬小三明治，中間餡料可為任何過渡金屬原子（元素周期表第3族到第12族的金屬）。塊狀TMD則具有5層或更多層原子排列成晶體結構，有時候，科學家會在晶格結構某處發現缺少1個原子、或在奇怪位置找到1個原子，這種“缺陷”偶爾能為材料帶來正面影響，比如某些TMD缺陷反而使半導體導電性更強。

▲中間缺失1個硫族原子的TMD中間層示意圖。

無論好壞，科學家必須了解引發缺陷的原因并加以利用。之前，科學家發現塊狀TMD含有多余電子，現在Shoaib Khalid團隊指出，這些多出的電子可能由氫氣引起。

根據缺陷的類型與性質，材料也會有不同表現與性能。比如多余電子會形成n型半導體材料，失去電子留下電洞則使材料成為p型。至于我們還要等多久才能看到TMD材料的應用？專家認為，到2030年可能就會出現實際用于設備的TMD晶體管。

編輯：芯智訊-林子