'奧地利維也納技術大學用二維材料與新型絕緣體創造出超薄晶體管'

導讀

據奧地利維也納技術大學官網近日報道，該校研究人員採用二維材料製成的超薄半導體以及氟化鈣製成的新型絕緣體，創造出一種新型超薄晶體管。這種晶體管具有卓越的電氣特性，可小型化至極小的尺寸。

背景

數十年來，芯片上的晶體管變得越來越小，越來越快，越來越便宜。“摩爾定律”指出：“當價格不變時，集成電路上可容納的晶體管數目，約每隔18個月便會增加一倍，性能也將提升一倍。”

摩爾定律-集成電路芯片上晶體管數量（1976-2016）（圖片來源：維基百科）

可是近年來，摩爾定律正在面臨失效。晶體管小型化已經逼近物理極限。一旦低於5納米，晶體管中電子的行為將受制於量子不確定性，很容易產生隧穿效應，晶體管變得不再可靠，芯片製造面臨巨大挑戰。

在所謂的“後摩爾時代”，世界各國科學家都開始積極探索各種新技術、新工藝、新材料。自旋電子學、分子電子學、量子計算機、聲子計算機、光子計算機、細胞計算機等新興領域的研究讓我們看到了新的希望。

二維材料，屬於這些新興研究領域中的佼佼者。二維材料是指電子僅可在兩個維度的非納米尺度（1-100nm）上自由運動（平面運動）的材料。例如，目前備受矚目的神奇材料“石墨烯”就是一種典型的二維材料。

（圖片來源：Tatiana Shepeleva/Shutterstock）

除石墨烯外，二維材料還包括六方氮化硼、二硫化鉬、黑磷等。這些二維材料可用於製造半導體以及超薄柔性電子器件，並有望為電子器件的小型化帶來新的巨大進步。

二硫化鉬和1納米碳納米管柵極的晶體管示意圖。（來源：Sujay Desai/加州大學伯克利分校）

創新

近日，奧地利維也納技術大學（TU Wien）的研究人員採用二維材料製成的超薄半導體，在氟化鈣製成的新型絕緣體幫助下，創造出一種超薄晶體管。這種晶體管具有卓越的電氣特性，不同於之前的技術，它可以小型化至極小的尺寸。這項新技術已經發表在《自然電子學（Nature Electronics）》期刊上。

新型晶體管示意圖：紅色與藍色的是絕緣體，半導體位於上方。（圖片來源：維也納技術大學）

技術

近年來，關於晶體管制造所需的半導體材料的研究取得了顯著進展。如今，超薄半導體可以由二維材料製成，這些材料僅由幾個原子層組成。維也納技術大學微電子研究所教授提伯·格拉澤（Tibor Grasser）表示：“但是，對於構造極小的晶體管來說，這還不夠。除了超薄的半導體，我們還需要超薄的絕緣體。”

原因在於晶體管的基本設計結構：只有當中間有電壓施加時，電流才可以從晶體管的一側流向另一側，創造出電場。電極提供的這個電場必須與半導體本身電氣絕緣。提伯·格拉澤表示：“採用超薄半導體的晶體管實驗已經在開展，但是迄今為止，這些實驗都與普通絕緣體相關。當半導體仍然與厚厚的絕緣材料層結合在一起時，減少半導體的厚度並沒有什麼益處。這種晶體管無法進一步小型化。此外，在非常小的長度尺度上，絕緣體表面會干擾半導體的電子特性。”

因此，提伯·格拉澤團隊的博士後研究員尤里·伊拉里奧諾夫（Yury Illarionov）嘗試了一種新方案。他將超薄二維材料不僅用於晶體管的半導體部分，也用於絕緣體部分。他通過選擇超薄絕緣材料例如離子晶體，構造出尺寸僅為幾個納米的晶體管。因為離子晶體擁有完美的規則表面，沒有一個原子會從表面上鼓出，這樣就不會影響到電場，所以晶體管的電子特性會得到改善。提伯·格拉澤解釋道：“傳統的材料在第三個維度上擁有共價鍵，原子與上下相鄰的材料之間產生耦合。二維材料和離子晶體並不會這樣，所以它們不會干擾半導體的電氣特性。”

為了製造這種新型超薄晶體管，氟化鈣被選為絕緣材料。氟化鈣層在聖彼得堡約飛研究所生產，論文第一作者尤里·伊拉里奧諾夫在加入維也納的團隊之前就在那裡工作。然後，晶體管本身是由維也納技術大學光子研究所的托馬斯·穆勒（Thomas Müller）教授團隊製造，並在微電子研究所進行分析。

價值

第一個原型已經超越了所有的期望：“多年來，我們收到了相當多不同的晶體管，並研究它們的技術特性，但是從未見過像這種具有氟化鈣絕緣體的晶體管。該原型具有卓越的電氣特性，超越了之前所有的模型。

現在，團隊想要找出絕緣體與半導體的哪種組合工作得最好。因為材料層的生產工藝仍然需要改善，所以這項技術還要幾年才能用於商用計算機芯片。提伯·格拉澤表示：“然而，總的來說，未來由二維材料製成的晶體管毫無疑問將是非常有吸引力的選擇。從科學的角度來看，很明顯，我們剛剛測試過的氟化物是目前解決絕緣體問題的最佳方案。現在，只有剩下幾個技術問題有待回答。”

這種更小、更快的新型晶體管將使得計算機工業再次取得巨大進步。通過這種方式，摩爾定律可能很快重新煥發生機，計算機性能有望迅猛增長。

關鍵字

晶體管、二維材料、半導體、摩爾定律

參考資料

【1】Yury Yu. Illarionov, Alexander G. Banshchikov, Dmitry K. Polyushkin, Stefan Wachter, Theresia Knobloch, Mischa Thesberg, Lukas Mennel, Matthias Paur, Michael Stöger-Pollach, Andreas Steiger-Thirsfeld, Mikhail I. Vexler, Michael Waltl, Nikolai S. Sokolov, Thomas Mueller, Tibor Grasser. Ultrathin calcium fluoride insulators for two-dimensional field-effect transistors. Nature Electronics, 2019; 2 (6): 230 DOI: 10.1038/s41928-019-0256-8

【2】https://www.tuwien.at/en/tu-wien/news/news-articles/news/ultrathin-transistors-for-faster-computer-chips/