製造工藝重要突破:將對二維半導體器件製造產生深遠影響!

2019-02-19 15:54:32

導讀

近日,紐約大學工學院領導的團隊報告了原子級薄度處理器製造工藝中的一項重要突破。這一突破將對納米晶片製造工藝產生深遠的影響。

背景

目前,以矽為代表的傳統半導體材料正在面臨嚴峻挑戰。通過原理創新、結構改善、工藝進步,科研人員很難再大幅度提升矽基半導體器件的總體性能。“後摩爾時代”已經悄然到來。作為有望取代矽基半導體材料的新一代半導材料,近年來二維半導體的研究進展迅猛。

石墨烯憑藉機械強度高、導電導熱性好、輕薄、柔性、透明等優勢,一度被譽為“新材料之王”,也讓二維材料成為了備受矚目的熱點。遺憾的是,石墨烯中獨特的碳原子排列,雖然有利於電子輕鬆地高速流動,但也使之不適合作為半導體。石墨烯沒有帶隙,無法選擇”打開“或者”關閉“電流,而這種二進制開關機制正是現代電子器件的基礎。

不過除了石墨烯之外,越來越多的二維材料被人類發現並研究,其中也不乏可以作為半導體的二維材料,例如過渡金屬硫族化合物、黑磷等。科學家們已經通過這些二維材料創造出諸多半導體器件,例如:

由二硫化鉬製成的超薄柔性微處理器(圖片來源:Stefan Wachter/維也納技術大學)

黑磷場效應電晶體(圖片來源:參考資料【2】)

然而,在二硫化鉬(MoS2)為代表的二維半導體器件的製造工藝中,採用電子束光刻技術,將金屬電極納米刻畫到這種原子級二維材料的層上,目前會產生一些問題,導致“非歐姆接觸”與“肖特基勢壘”。

創新

近日,美國紐約大學工學院化學與生物分子工程系教授 Elisa Riedo 領導的團隊,報告了原子級薄度處理器製造工藝中的一項重要突破。這一發現不僅將對納米晶片製造工藝產生深遠影響,而且也將鼓舞全世界各個實驗室中探索將二維材料套用於更小更快的半導體的科學家們。

(圖片來源:紐約大學工學院)

團隊將他們的科研成果發表在最近一期的《自然電子學(Nature Electronics)》期刊上。

技術

他們演示的這種刻蝕技術,採用了加熱至100攝氏度以上的探針,超越了在二硫化鉬等二維半導體上製造金屬電極的普遍方法。科學家們相信,這種過渡金屬屬於有望替代矽套用於原子級微型晶片的材料。團隊開發的新製造方法,稱為“熱掃描探針刻蝕技術(t-SPL)”,相比於目前的電子束光刻技術(EBL)具有一系列優勢。

(圖片來源:紐約大學工學院)

(圖片來源:紐約大學工學院)

t-SPL製造工藝(圖片來源:參考資料【3】)

價值

首先,熱刻蝕技術顯著提升了二維電晶體的質量,抵消了肖特基勢壘。肖特基勢壘阻礙了二維襯底與金屬交界處的電子流動。其次,不同於EBL,熱刻蝕技術使晶片製造者可輕鬆獲取二維半導體圖像,然後在期望的位置刻畫電極。再次, t-SPL 製造系統有望顯著減少初始投入以及運營成本:它們通過在一般環境條件下的運作大幅降低功耗,無需生成高能電子以及超高真空。最後,這種熱加工方法很容易通過採用“並行”的熱探針來擴展,從而套用於工業生產。

Riedo 表示,她希望 t-SPL 將許多加工過程帶出稀缺的淨室,帶入個人實驗室。在淨室中,研究人員們必須為這些昂貴的設備爭取時間;而在個人實驗室中,他們將迅速地推進材料科研與晶片設計。3D印表機這個先例,就是一個很好的類比。有朝一日,這些低於10納米解析度的 t-SPL 工具,在普通環境條件下,依靠標準的120伏電源運行,將遍及像她的實驗室一樣的各個研究實驗室。

關鍵字

二維材料、半導體、納米製造

參考資料

【1】engineering.nyu.edu/news/breakthrough-reported-fabricating-nanochips

【2】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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