延續摩爾定律，二維晶體管潛力如何？

　　自20世紀60年代以來，電子電路上可容納的元器件數量每兩年便增加一倍，這種趨勢就是著名的摩爾定律。隨著晶體管越來越小，硅芯片上可容納的元器件數量在不斷增加。但目前看來，硅晶體管正接近它的物理極限。只有開發出全新類型的材料和設備，才能釋放下一代計算機的潛力。

單分子厚晶體管芯片或許能用來驅動下一代計算機。

圖片來源:Peng Lin、Sanghoon Bae

　　基于塊體（三維）半導體的所有晶體管都面臨著相同的問題，包括由鍺、砷鎵銦和磷化銦制成的晶體管。電子一般難以在納米厚度的溝道內遷移，溝道表面的缺陷也會導致電荷散射，減慢電子流動速度。

　　而單原子層的二維材料有望使晶體管進一步縮小。由于它們的“垂直”維度有限，且表面平整沒有缺陷，因而電子不易發生散射，電荷也能相對自由地在其中流動。前景可觀的材料包括過渡金屬硫化物 （如二硒化鎢和二硫化鉬）。

　　但是，這類研究仍處于初級階段，如果要滿足實用設備的工業級需求，必須先解決三大根本挑戰。

　　三大挑戰

　　準確預測特性。首先，我們要找到適合的二維晶體管材料。現有的候選材料超過1000種，它們的電子特性差異巨大。從理論上預測電子特性比通過實驗一個個剔除要來得更快。但是，準確預測材料行為的難度很大。電子能量取決于晶格中原子的特定性質和排列方式，真實材料的這些特性往往比理想化模型來得復雜。此外，還必須考慮電子和原子間的相互作用，近似物也會增加不確定性。

　　實驗發現，電子在二維層狀材料中的遷移率不如預想的高。科學家已知這是由于電子散射導致的，但對其作用過程卻不甚了解。比如說，晶格振動如何減慢電子流動速度？襯底和保護膜這些鄰近材料層，以及附近的電荷和缺陷都會產生影響。以上問題都需要物理學家加以全盤考慮。

　　生長和測試樣品。前景可觀的候選材料需要經過實驗測試。樣品質量非常重要，而且要足夠大，這樣才可以并入最先進的晶體管和簡單的基準電路中。缺陷和晶界會影響電荷流動。因此，研究人員要知道如何用排列整齊的晶體生長出均勻的二維材料片層，以及如何通過控制片層厚度來調整電子特性。

　　現有兩種制備二維晶體片層的方法。首選方法是通過真空室蒸氣的原子沉積。另一種方法是剝離，包括機械剝離和溶液脫落——前者產生的晶格缺陷較少，但得到的產物數量過少，無法用于實際設備。

　　在晶體形成的過程中，襯底會影響其生長。三維材料會與底層緊密結合，嚴格遵循其原子幾何構型。相比之下，二維材料與襯底的結合不太緊密，但仍然會受到其影響。例如，在藍寶石上生長的MoS2晶體會沿著兩個方向生長（0度和60度方向）。其它材料形成的定向性較低的晶粒，其晶界類似于拼圖中的接縫，一些部位最后會超過單分子層厚度。

臺積電的研究人員正在半導體材料先進研究技術實驗室工作。

圖片來源：Lain-Jong Li

　　二維材料需要具有化學穩定性和熱穩定性。比如，磷烯和硒化銦在環境大氣中會在幾個小時內迅速分解。添加保護膜（如氧化物）有助于保護材料，但需要考慮的界面也會增加。

　　最后，晶體管需要能以可靠的方式實現大規模制造。如今，行業常用的是硅襯底和二氧化硅絕緣體，但這些無法用于取向生長，而且它們的電學性能會在高溫下下降，而氣相原子沉積必須在高溫（600–1000

　　°C）條件下完成。因此，研究人員需要在能夠承受這種高溫、但很昂貴的碳化硅或藍寶石襯底上生長二維材料，再轉移到硅襯底，最后并入設備中。分子束外延（真空中的原子束噴涂）是另一種在相對低溫（300

　　°C以下）條件下生長二維材料的方法，但這個方法較慢：樣本可能需要數天時間生長，其產量和可重復性也需要進一步提升。

　　評估設備性能。應在同一框架內對不同二維材料的性能進行評估，因為不同場景或實驗室報告的測量數據可能并不一致。襯底的精確成分和結構、夾層、電子接點和制造過程都很重要。每種類型的設備會有自己的需求。比方說，邏輯開關的晶體管必須快速開關，能量高效的晶體管必須在低電壓下工作。

　　學術界和產業界的研究人員應該共同開發測量標準，具體可以參照美國國家可再生能源實驗室編制的太陽能電池效率測量標準。標準中應規定設備結構、金屬接觸標準以及測量流程等內容。

　　合作與經費

　　規模近5000億美元的半導體芯片產業應該劃撥經費，尋找以上問題的答案；各級政府也不例外。目前研究最為透徹的二維材料是石墨烯，歐盟委員會籌資10億歐元的 “石墨烯旗艦”（Graphene Flagship）研究項目正在努力開發石墨烯的應用途徑和量產方法。除此之外，很多其它的二維材料仍停留在理論研究階段。

　　探索邏輯、存儲和連接材料開發的電子學項目應該更多地關注二維材料。一個例子是美國國家科學基金會投資的“二維原子層研究和工程”（2-DARE）。半導體研究公司（Semiconductor Research Corporation）是一家位于美國北卡羅來納州的非營利研究聯盟，許多與之同類的組織應該設立更多項目，推進二維材料的研發。

　　現在還無法斷言二維半導體是否能帶來晶體管的革命，但它的確是延續摩爾定律的最佳候選之一。

　　原文以How 2D semiconductors could extend Moore’s law為標題

　　發布在2019年3月12日《自然》評論上