根据摩尔定律,集成电路可容纳的晶体管数目约每2年便增加1倍,但这条定律即将走到尽头。随着硅芯片越做越小,进入2纳米制程后功能、尺寸便几乎达到物理极限,因此研究人员正在开发更小、更薄、更有效率的下一代芯片,以过渡金属二硫属化物(TMD)替代硅材料。
当前所有电子设备都使用以硅制成的芯片,半导体产业也借由不断缩小晶体管尺度来提升组件性能,然而日益缩小的组件终将面临制程技术与物理瓶颈,科学家只好开始寻找替代三维硅的下一任半导体支柱。
其中,仅原子层厚度的二维层状半导体材料近年备受瞩目,比如过渡金属二硫族化物(transition metal dichalcogenides,TMD),许多公司已在二维材料芯片投入大量资金;最近,普林斯顿电浆物理实验室(PPPL)物理学家Shoaib Khalid团队也在《2D Materials》期刊发布新论文,详细介绍TMD原子结构可能发生的变化、发生原因及它们如何影响材料。这些资讯为改进下一代计算机芯片所需流程奠定基础。
过渡金属二硫族化物(TMD)材料关键特征是二维结构的大原子相互作用,如二碲化钨(WTe2)表现出反常巨磁阻和超导性,其余如:二硫化钼(MoS2)、二硫化钨(WS2)、二硒化钼(MoSe2)、二硒化钨(WSe2)等,也都是极具潜力的二维层状半导体材料。
研究人员解释,TMD可以薄到仅3个原子厚度,把它想象成由硫族元素(硫、硒、碲)制成的金属小三明治,中间馅料可为任何过渡金属原子(元素周期表第3族到第12族的金属)。
块状TMD则具有5层或更多层原子排列成晶体结构,有时候,科学家会在晶格结构某处发现缺少1个原子、或在奇怪位置找到1个原子,这种“缺陷”偶尔能为材料带来正面影响,比如某些TMD缺陷反而使半导体导电性更强。
中间缺失1个硫族原子的TMD中间层示意图。
无论好坏,科学家必须了解引发缺陷的原因并加以利用。之前,科学家发现块状TMD含有多余电子,现在Shoaib Khalid团队指出,这些多出的电子可能由氢气引起。
根据缺陷的类型与性质,材料也会有不同表现与性能。比如多余电子会形成n型半导体材料,失去电子留下电洞则使材料成为p型。
至于我们还要等多久才能在手机、PC看到TMD芯片的应用?专家认为,到2030年可能就会出现实际用于设备的TMD晶体管。
(图片来源:普林斯顿电浆物理实验室)