電子發(fā)燒友網(wǎng)報(bào)道（文/黃山明）1965年，英特爾聯(lián)合創(chuàng)始人戈登·摩爾提出了著名的“摩爾定律”，它預(yù)測(cè)每隔18至24個(gè)月，芯片上可容納的晶體管數(shù)量將翻倍，從而帶來(lái)性能提升或成本下降。但隨著晶體管尺寸逼近物理極限，進(jìn)一步縮小變得越來(lái)越困難，這時(shí)就需要新材料的出現(xiàn)，來(lái)作為傳統(tǒng)硅基芯片的替代品，從而延續(xù)摩爾定律。

據(jù)外媒報(bào)道，美國(guó)能源部普林斯頓等離子體物理實(shí)驗(yàn)室（PPPL）研究人員正在研發(fā)下一代芯片，這種芯片具有更小、更薄、更高效的特點(diǎn)，更值得注意的是，該芯片使用的材料為過(guò)渡金屬二硫化物（Transition Metal Dichalcogenides，TMD）而非傳統(tǒng)的硅（Si）。

硅基芯片的缺陷

1954年，貝爾實(shí)驗(yàn)室的約翰·巴丁、沃爾特·布拉頓和威廉·肖克利因發(fā)明晶體管而獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。這一發(fā)明不僅改變了整個(gè)電子產(chǎn)業(yè)的發(fā)展軌跡，還奠定了現(xiàn)代信息社會(huì)的基礎(chǔ)。并且，晶體管的發(fā)明也被譽(yù)為20世紀(jì)最重要的發(fā)明之一。

不過(guò)在最開始，晶體管主要使用鍺作為半導(dǎo)體材料。一方面受限于當(dāng)時(shí)的技術(shù)，鍺相對(duì)于硅來(lái)說(shuō)更容易進(jìn)行提純和加工。鍺的熔點(diǎn)比硅低，這使得它在制造過(guò)程中更容易處理。此外，鍺的摻雜技術(shù)在當(dāng)時(shí)更為成熟，能夠更可靠地控制材料的導(dǎo)電性能。

同時(shí)鍺的禁帶寬度比硅小（鍺的禁帶寬度約為0.67 eV，而硅的禁帶寬度約為1.12 eV）。這意味著鍺在室溫下就能容易地產(chǎn)生自由載流子（電子和空穴），從而更容易導(dǎo)電。這對(duì)于早期的晶體管技術(shù)來(lái)說(shuō)非常重要，因?yàn)樗沟面N在室溫下就可以有效地工作，而不需要額外的加熱或其他條件。

并且在晶體管發(fā)明之前，鍺已經(jīng)被廣泛研究用于其他電子應(yīng)用，例如點(diǎn)接觸整流器。這種研究基礎(chǔ)使得鍺成為自然的選擇，因?yàn)榭茖W(xué)家和工程師對(duì)鍺的性質(zhì)已經(jīng)有了一定程度的了解。

但鍺作為半導(dǎo)體材料也有其明顯的缺點(diǎn)，主要是在溫度上升時(shí)其性能會(huì)下降。鍺的電阻率隨溫度升高而迅速下降，這意味著在高溫環(huán)境下，鍺基晶體管可能會(huì)變得不穩(wěn)定。

隨著1959年羅伯特·諾伊斯和安迪·格魯夫等人在仙童半導(dǎo)體公司改進(jìn)了集成電路的設(shè)計(jì)，采用平面工藝，使得硅成為制造集成電路的主要材料。并在隨后的產(chǎn)業(yè)中，硅慢慢取代了鍺。

但在發(fā)展半個(gè)世紀(jì)后，當(dāng)前的硅基芯片已經(jīng)開始面臨著一些顯著的問(wèn)題，大多與物理極限、經(jīng)濟(jì)型和環(huán)境因素有關(guān)。如隨著晶體管尺寸的減小，量子效應(yīng)如隧道效應(yīng)開始顯現(xiàn)，導(dǎo)致電流泄漏和信號(hào)干擾，這降低了芯片的性能和可靠性。同時(shí)小尺寸晶體管會(huì)產(chǎn)生更多的熱量，散熱問(wèn)題變得越來(lái)越嚴(yán)重，這限制了芯片的性能和密度。

如果使用其他材料來(lái)替代硅基制作芯片，就有可能解決這些問(wèn)題。近幾年來(lái)科研人員探索了許多新的材料如砷化鎵（GaAs）、磷化銦（InP），可以在高頻和高功率應(yīng)用中表現(xiàn)出優(yōu)勢(shì)，而銦鎵鋅氧化物（IGZO），可以用于制造透明、柔性電子器件。

其中，TMD包括MoS2在內(nèi)的一系列化合物，因其出色的光電、機(jī)械和熱性能，被廣泛視為后硅基半導(dǎo)體時(shí)代延續(xù)摩爾定律的理想候選材料之一。

芯片材料從三維走向二維

所謂的TMD是一類具有MX2型結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體材料，其中M代表過(guò)渡金屬（如Mo、W等），X代表硫?qū)僭兀ㄈ鏢、Se、Te）。這類材料因其獨(dú)特的能帶結(jié)構(gòu)、半導(dǎo)體或超導(dǎo)性質(zhì)以及優(yōu)秀的機(jī)械性能等，在納米電子器件和光電子學(xué)等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。特別是單層的TMD，例如MoS2，因其直接帶隙的特性在光電探測(cè)領(lǐng)域顯示出巨大的潛力。

據(jù)美國(guó)PPPL的研究人員透露，TMD可以薄至三個(gè)原子，靠外的兩層可以采用硫族元素，或者也可以稱為氧族元素。而中間的那層，可以用任何的過(guò)渡金屬替代。

由于這種材料太薄，導(dǎo)致任何一層出現(xiàn)確實(shí)或者多出原子等微小的變化，都會(huì)影響到材料的性能。盡管這種變化被稱為“缺陷”，但并不意味著這種“缺陷”是有害的。

研究人員表示，可以根據(jù)缺陷的類型和性質(zhì)來(lái)獲得有益的材料，例如可以在材料中產(chǎn)生過(guò)量的電子，讓其成為n型（即具有更多電子的材料）或產(chǎn)生更多的空穴形成p型（即具有更多空穴或正電荷的材料）。

在計(jì)算機(jī)芯片中使用n型和p型材料的組合可以提供更好的導(dǎo)電性，當(dāng)前的一些半導(dǎo)體技術(shù)是通過(guò)摻雜來(lái)獲得類似的特性。

并且與硅半導(dǎo)體相比，TMD具有可調(diào)節(jié)的帶隙，可通過(guò)改變層數(shù)來(lái)控制，最薄時(shí)只有一層，高度僅有三個(gè)原子。這也意味著相比過(guò)去的硅基材料，TMD可以使用不同的材料來(lái)制造，既靈活又耐用。

早在2021年，南京工業(yè)大學(xué)先進(jìn)材料研究院黃維院士、閆家旭研究員團(tuán)隊(duì)便發(fā)表了相關(guān)論文，其中提到通過(guò)堆垛工程，可以在原子水平上調(diào)控TMD的光電性質(zhì)，為后摩爾時(shí)代新器件的設(shè)計(jì)提供新的維度。開展二維材料堆垛調(diào)控研究將為后摩爾時(shí)代新器件的設(shè)計(jì)提供新的維度，從源頭上解決集成工藝的兼容性問(wèn)題，在芯片的基礎(chǔ)問(wèn)題研究和助推我國(guó)半導(dǎo)體芯片自主發(fā)展兩方面都具有重要意義。

當(dāng)然，盡管這種材料非常夢(mèng)幻，但研究仍處于相對(duì)基礎(chǔ)的階段，許多材料尚未被深入研究或合成，實(shí)際應(yīng)用中還存在著穩(wěn)定性、可制造性以及與現(xiàn)有硅基技術(shù)的兼容性等問(wèn)題。

此外，TMD的電子器件性能，如載流子遷移率等，雖然具有潛在的優(yōu)勢(shì)，但目前尚未達(dá)到可以完全取代硅的水平。

從當(dāng)前芯片的發(fā)展路徑來(lái)看，臺(tái)積電已經(jīng)朝著1nm制程芯片進(jìn)發(fā)，而其他公司也相繼推出了2036年前亞納米晶體管的發(fā)展路線圖，而英特爾已經(jīng)在研究用TMD制造晶體管。PPPL的研究院認(rèn)為，到2030年，有望擁有一個(gè)可用于設(shè)備的真正TMD晶體管。

總結(jié)

硅長(zhǎng)期以來(lái)一直是集成電路制造的主要材料，但隨著技術(shù)節(jié)點(diǎn)的不斷縮小，硅基芯片遇到了物理極限和經(jīng)濟(jì)效率問(wèn)題。這就需要有新的材料來(lái)替代硅從而延續(xù)摩爾定律，TMD就是其中之一，其在理論上具備延續(xù)摩爾定律的潛力，但要實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，還需要在材料合成、器件加工和性能優(yōu)化等方面取得更多突破性進(jìn)展。隨著科研工作者的不斷努力，TMD在未來(lái)半導(dǎo)體技術(shù)中的應(yīng)用前景是值得期待的。