超薄材料|美国斯坦福大学发现两种全新超薄半导体，既具备硅的稳定氧化层优势，又可微缩至3个原子大小，满足未来发展需求

8月，美国斯坦福大学的电子工程师发现了两种新的半导体材料——铪联硒化物（hafnium diselenide）和锆联硒化物（zirconium diselenide），他们具有与硅材料相同的“生锈”优势，并且在其他方面超越硅，如能实现只有三个原子厚的功能电路，所需电量少于硅电路，研究成果发布在《科学进展》杂志上。尽管仍处于实验阶段，研究人员表示该材料向实现未来器件所需的更薄、更高能效芯片迈进了一步。

在大幅放大的实验性芯片的横截面上，黑色和白色的条展现的是铪联硒化物（超薄半导体材料）和二氧化铪绝缘体的交替层叠。

背景需求

下一代特性丰富和高能效电子产业将需要计算机芯片只有几个原子厚，而现有硅技术无法帮我们实现这些超薄的极限。斯坦福电子工程的副教授Eric Pop表示，硅有几项优势使成为现代电子产业的根基。其一是它带有非常好的“天生”绝缘体——二氧化硅或简而言之的硅生锈。在制造过程中，通过将硅暴露于氧气中，能够使得芯片制造商容易地实现电路绝缘。而将其他半导体暴露于氧气中，并不能“生锈”为好的绝缘体，因为必须层叠上额外的绝缘体，这一步会引入工程上的挑战。

核心发现1

对于铪联硒化物和锆联硒化物这两种联硒化物，斯坦福团队发现当暴露于氧气中可以形成这种高质量绝缘生锈层。斯坦福电子工程的副教授Eric Pop表示：“这有点像生锈，但是一个非常需要的生锈。”

不仅仅是这两种超薄半导体可以生锈，研究人员还可以比硅更令人满意的方式实现生锈的过程。他们形成了被称为“高K”的绝缘体，能够支持比硅和二氧化硅绝缘体能实现的更低的功率工作能力。

核心发现2

当研究人员开始将联硒化物缩小到原子厚度时，他们发现这些超薄半导体具有另一项硅所具有的“秘密”优势：开关晶体管所需的能量——实现计算中的重要一步，被称为带隙——与硅相当。该能量如果过低，会导致电路泄露及变得不可靠；而过高，电路运转则需高能耗，并变得不高效。

核心发现3

这些联硒化物能够实现只有三个原子厚的电路，或者一个纳米的2/3，这些都是硅无法做到的。Pop说：“在材料特性出现不想要的变化前，工程师已无法将硅晶体管薄于5纳米。”更薄电路和高K绝缘性能的组合意味着这些超薄半导体能够制造比使用现有硅技术小10倍的晶体管。Pop说：“硅电路并不会消失，但如果新材料能够与硅集成，对于消费者而言，意味着更长的电池寿命和更多复杂功能。”

下一步工作

下一步还有很多工作要做。首先，Mleczko和Pop必须精细在超薄联硒化物电路上晶体管的电连接。Mleczko 说：“这些互连对于任何新的半导体总是挑战，而且随着我们将电路缩小为原子级变得更加困难。”

其次，他们将致力于更好地控制氧化绝缘层来保证尽可能地保持薄和稳定。最后但并非最不重要的，只有当这些事情就绪了，才能够研究与其他材料的集成，然后按比例为微缩到晶圆、复杂集成电路，并最终实现整个系统。Pop说，“还有很多工作要做，但这是一个到达更薄、更小电路和更高能效电子设备的新途径。”

资金支持

该工作由空军科学研究办公室（AFOSR）、国家科学基金会、斯坦福大学全新材料和工艺研究所（INMP）、能源部基础能源科学材料科学分布、NSERC PGS-D奖学金提供资金支持。