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后摩尔器件是什么样子？

2019-09-05 14:24:18 来源: 互联网

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半导体行业发展至今，摩尔定律的开始变得疲软。虽有一些厂商还在坚持按照摩尔定律的路线不断突破，但行业中也出现了不少要发展后摩尔定律的声音。在后摩尔定律的发展当中，各类电子器件又将变成什么样子？

根据国际半导体路线图显示，在特征尺寸接近极限的情况下，以宽禁带半导体、碳纳米管、二维层状材料为主的新材料，以及由隧穿晶体管、负电容晶体管、自旋晶体管为主的新原理成为了后摩尔器件的宠儿。

其中，如何将二维层状材料应用到器件中，是近几年来科研机构的研究方向之一。在新材料晶体管的构建当中，就需要界面控制（范德华异质集成和超薄缓冲层）以及物性调控（嵌入与复合）来配合。

有科研机构表示，在保持原有器件和工艺尺寸的基础上，发展异质材料与多种功能器件的一体化集成技术，可以实现单一芯片的功能多样化。因而，异质集成技术开始受到行业内的重视。

在异质集成技术当中，又属范德华异质集成技术的发展备受业内人士瞩目。据信息科学部消息显示，由于二维层状材料表面无悬挂键的特性，不同二维原子层需要借助弱范德华力按选定顺序堆叠在一起，形成具有原子级平整界面的人工异质结构，这种异质结构通常被称为范德华异质结。与传统集成方法相比，采用范德华异质集成会减少材料表面的损坏，从而，提高晶体管性能。

同时，也有一些机构认为，尽管范德华异质结潜力巨大，但现阶段与实际应用还有一定距离，其中一个主要原因在于：基于范德华异质结的器件未能充分发挥二维层状材料的优势，功能大多比较单一、性能有待进一步提高。

而就界面控制的另一方面——超薄缓冲层来说，使用臭氧在二硫化钼表面引入超薄氧化层，并沉积高质量的HfO2栅介质（有效介质厚度EOT~1 nm），获得了当时室温下最大的饱和输出电流密度(612 μA/μm)的顶栅晶体管。

据湖南大学微纳光电器件及应用教育部重点实验室的一份报告中称，采用范德华异质集成和超薄缓冲层方法，可以抑制传统沉积技术产生的缺陷，降低栅介质/二维材料的界面缺陷密度，削弱金属/二维材料的钉扎效应，从而，获得了高质量的器件界面。

从物控方面看，就二维材料本身而言。二维材料面内原子间价键一般较强，用常规掺杂方案替代面内原子来调控材料的物性往往效果不佳。二维材料层间作用力主要是范德华力，相互作用较弱。因此，科研机构提出嵌入低维材料的方法。即不改变二维材料本身结构，原子类型和比例，只在层间或者表面嵌入和吸附其他分子、离子或低维材料，改变层间间距或表面电负性，从而达到调控材料物性的目的。

由于层间相互作用，二维材料的能带和性能往往跟层数相关。单层的性质常常是最优的，但是在器件的研制中单层界面影响最大。如何能获得与层数无关的二维材料结构(单层性质), 获得均一器件？在湖南大学的研究当中表明，利用单层二维晶体/单层分子反复叠加成功实现了人工二维超晶格 (MACMS)，可获得材料物性与层数无关的人工二维黑磷原子超晶格结构。

从二维层状材料的发展，或许我们能够窥见未来后摩尔器件的样子。

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责任编辑：sophie

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