集微網(wǎng)消息，綜合媒體報(bào)道，新型二維（2D）材料（其厚度約為1個(gè)原子）生產(chǎn)的突破將為向下一代半導(dǎo)體的過渡鋪平道路，中國(guó)科學(xué)家成功利用新型半導(dǎo)體材料生產(chǎn)12英寸晶圓，且成本較低，雖然將它們轉(zhuǎn)變?yōu)榭捎玫男酒匀恍枰鲆恍┕ぷ?，但科學(xué)家們預(yù)計(jì)其最終將與硅芯片相輔相成。

7月30日，《科學(xué)通報(bào)》（ScienceDirect）發(fā)表了松山湖材料實(shí)驗(yàn)室/北京大學(xué)教授劉開輝、北京大學(xué)物理學(xué)院薛國(guó)棟、中國(guó)科學(xué)院院士王恩哥團(tuán)隊(duì)，松山湖材料實(shí)驗(yàn)室/中國(guó)科學(xué)院物理研究所研究員張廣宇團(tuán)隊(duì)及中國(guó)人民大學(xué)劉燦教授等合作者的最新研究成果，論文標(biāo)題是《Modularized batch production of 12-inch transition metal dichalcogenides by local element supply》（模塊化局域元素供應(yīng)技術(shù)批量制備12英寸過渡金屬二硫?qū)倩铮?，他們提出模塊化局域元素供應(yīng)生長(zhǎng)技術(shù)，成功實(shí)現(xiàn)了半導(dǎo)體性二維過渡金屬硫族化合物晶圓批量化高效制備，晶圓尺寸可從2英寸擴(kuò)大至與現(xiàn)代半導(dǎo)體工藝兼容的12英寸，該方案展示了高質(zhì)量和高產(chǎn)量的晶圓輸出，并有可能實(shí)現(xiàn)從實(shí)驗(yàn)室規(guī)模到工業(yè)規(guī)模的無縫過渡。相關(guān)團(tuán)隊(duì)在北京制定了制造策略，并在東莞松山湖材料實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了驗(yàn)證。

擁有優(yōu)異特性 2D材料成下一代器件半導(dǎo)體關(guān)鍵

該論文稱，2D過渡金屬二硫?qū)倩铮═MD）因其原子級(jí)厚度、高載流子遷移率和超快電荷傳輸而被視為下一代器件的關(guān)鍵半導(dǎo)體候選者。二維過渡金屬二硫?qū)倩锸亲罹邞?yīng)用前景的二維半導(dǎo)體材料體系之一，具備層數(shù)依賴的可調(diào)帶隙、自旋-谷鎖定特性、超快響應(yīng)速度、高載流子遷移率、高比表面積等優(yōu)異的物理性質(zhì)。

盡管硅非常適合半導(dǎo)體加工，但隨著器件尺寸不斷減小，當(dāng)前的硅芯片遇到了困難。該項(xiàng)目首席科學(xué)家、北京大學(xué)教授劉開輝稱，“當(dāng)硅晶體管變得更薄時(shí)，它們對(duì)電壓的控制變得更差。即使設(shè)備不工作，電流也會(huì)存在。這會(huì)帶來額外的能源成本和熱量產(chǎn)生?！?/p>

新的2D材料由具有一層至多層原子的晶體固體組成，非常薄，由于其天然的原子級(jí)厚度，賦予了晶圓優(yōu)異的半導(dǎo)體特性，可以解決以上問題，并且可能在許多高性能電子設(shè)備中得到應(yīng)用?！坝蓡螌覯oS2（一種典型的2D材料）制成的晶體管，厚度約為1nm，其性能比用相同厚度的硅制成的晶體管好很多倍。一些2D材料被認(rèn)為是1nm及以下集成電路的重要材料系統(tǒng)。它們還被業(yè)界認(rèn)為能夠延續(xù)甚至超越摩爾定律?！眲㈤_輝說。

2D材料晶圓制造面臨挑戰(zhàn) 科學(xué)家找到新方法解決

在每一層中，2D材料可以單獨(dú)存在，允許它們逐層堆疊，例如石墨烯或過渡金屬二硫?qū)倩铮═MD），包括二硫化鉬、二硫化鎢、二硒化鉬和二硒化鎢。晶圓材料是推動(dòng)2D半導(dǎo)體技術(shù)邁向產(chǎn)業(yè)化的根基，如何實(shí)現(xiàn)批量化、大尺寸、低成本制備2D半導(dǎo)體晶圓是亟待解決的科學(xué)問題，且需保證高均勻性和器件性能。

劉開輝表示，其團(tuán)隊(duì)的工作為業(yè)界保證了2D材料的實(shí)際應(yīng)用?！叭绻磥碛挟a(chǎn)業(yè)需求，該領(lǐng)域的進(jìn)展將會(huì)突飛猛進(jìn)?！?/p>

制造12英寸（300mm）的大尺寸而均勻的扁平圓片需要大量的專業(yè)知識(shí)，這是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)。雖然之前生產(chǎn)過2英寸模型，但事實(shí)證明擴(kuò)大晶體生長(zhǎng)工藝很困難，美國(guó)、韓國(guó)、英國(guó)和日本的研究人員都發(fā)現(xiàn)難度很大。

傳統(tǒng)上，晶圓通常使用一種稱為點(diǎn)到面的方法在熔爐中生長(zhǎng)，其中需求源通過上方的噴嘴以粉末形式提供。當(dāng)晶圓很小時(shí)，這種方法效果很好。但隨著尺寸的增加，爐內(nèi)源的擴(kuò)散變得不均勻，導(dǎo)致晶圓質(zhì)量下降。

該論文的第一作者、博士生薛國(guó)棟說：“我們開發(fā)了一種新方法，利用面對(duì)面的供給方法來確保均勻生長(zhǎng)。在制造MoS2芯片時(shí)，硫族化物晶體板（ZnS）與溶液分散熔鹽（Na2MoO4）配合用作元素源。”新方法意味著晶圓尺寸不再受到限制。“該策略確保了爐內(nèi)原料的均勻和充足供應(yīng)，并解決了之前晶圓尺寸的限制。我們還可以做更大的，但是12英寸是最常用的尺寸。”劉開輝說。

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)將過渡金屬硫族化合物制備所需的多種前驅(qū)體與生長(zhǎng)襯底，以“面對(duì)面”模式組裝構(gòu)成單個(gè)生長(zhǎng)模塊。論文進(jìn)一步表示，由于生長(zhǎng)過程中多種前驅(qū)體的有效質(zhì)量傳輸所需的嚴(yán)格條件，TMD晶圓的生產(chǎn)能力通常局限于每批次的單個(gè)小片（主要范圍為2至4英寸）。團(tuán)隊(duì)開發(fā)了用于批量生產(chǎn)晶圓級(jí)TMD的模塊化生長(zhǎng)策略，能夠制造2英寸晶圓（每批次15片）到創(chuàng)紀(jì)錄的大尺寸12英寸晶圓（每批次3片）。每個(gè)模塊都包含自給自足的本地前驅(qū)體供應(yīng)單元，用于穩(wěn)健的單個(gè)TMD晶圓生長(zhǎng)，并與其他模塊垂直堆疊以形成集成陣列，從而實(shí)現(xiàn)批量生長(zhǎng)。此外，這些模塊化單元通過將生產(chǎn)的晶圓級(jí)MoS2轉(zhuǎn)換為各種結(jié)構(gòu)（例如MoSSe Janus結(jié)構(gòu)、MoS2(1?x)Se2x合金化合物以及MoS2-MoSe2平面異質(zhì)結(jié)）而展示了多功能性。

新的堆疊方法意味著可以同時(shí)生長(zhǎng)多層2D材料，從而實(shí)現(xiàn)無與倫比的效率和低廉的生產(chǎn)成本。據(jù)悉，松山湖材料實(shí)驗(yàn)室工程團(tuán)隊(duì)已設(shè)計(jì)相關(guān)設(shè)備，現(xiàn)在每臺(tái)機(jī)器每年可以生產(chǎn)10000片2D晶圓。

2D材料晶圓轉(zhuǎn)變?yōu)?/strong>應(yīng)用芯片 還需工業(yè)技術(shù)迭代