研究人員拿著一塊8英寸的二硫化鉬薄膜的CMOS晶圓。右邊是研究人員開發(fā)的熔爐，使用不損害晶片的低溫工藝在晶片上“生長”一層二硫化鉬。圖片來源：麻省理工學(xué)院

美國麻省理工學(xué)院一個(gè)跨學(xué)科團(tuán)隊(duì)開發(fā)出一種低溫生長工藝，可直接在硅芯片上有效且高效地“生長”二維（2D）過渡金屬二硫化物（TMD）材料層，以實(shí)現(xiàn)更密集的集成。這項(xiàng)技術(shù)可能會(huì)讓芯片密度更高、功能更強(qiáng)大。相關(guān)論文發(fā)表在最新一期《自然·納米技術(shù)》雜志上。

這項(xiàng)技術(shù)繞過了之前與高溫和材料傳輸缺陷相關(guān)的問題，縮短了生長時(shí)間，并允許在較大的8英寸晶圓上形成均勻的層，這使其成為商業(yè)應(yīng)用的理想選擇。

新興的人工智能應(yīng)用，如產(chǎn)生人類語言的聊天機(jī)器人，需要更密集、更強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)芯片。但半導(dǎo)體芯片傳統(tǒng)上是用塊狀材料制造的，這種材料是方形的三維（3D）結(jié)構(gòu)，因此堆疊多層晶體管以實(shí)現(xiàn)更密集的集成非常困難。然而，由超薄2D材料制成的晶體管，每個(gè)只有大約三個(gè)原子的厚度，堆疊起來可制造更強(qiáng)大的芯片。

讓2D材料直接在硅片上生長是一個(gè)重大挑戰(zhàn)，因?yàn)檫@一過程通常需要大約600℃的高溫，而硅晶體管和電路在加熱到400℃以上時(shí)可能會(huì)損壞。新開發(fā)的低溫生長過程則不會(huì)損壞芯片。

過去，研究人員在其他地方培育2D材料后，再將它們轉(zhuǎn)移到芯片或晶片上。這往往會(huì)導(dǎo)致缺陷，影響最終器件和電路的性能。此外，在晶片規(guī)模上順利轉(zhuǎn)移材料也極其困難。相比之下，這種新工藝可在8英寸晶片上生長出一層光滑、高度均勻的層。

這項(xiàng)新技術(shù)還能顯著減少“種植”這些材料所需的時(shí)間。以前的方法需要一天多的時(shí)間才能生長出一層2D材料，而新方法可在不到一小時(shí)內(nèi)在8英寸晶片上生長出均勻的TMD材料層。

研究人員表示，他們所做的就像建造一座多層建筑。傳統(tǒng)情況下，只有一層樓無法容納很多人。但有了更多樓層，這座建筑將容納更多的人。得益于他們正在研究的異質(zhì)集成，有了硅作為第一層，他們就可在頂部直接集成許多層的2D材料。