隱藏的0.14納米間隙威脅未來二維芯片，“拉鏈材料”或成破局關(guān)鍵

研究人員指出，長期被忽視的0.14納米間隙，可能限制眾多潛力巨大的二維材料在芯片微縮化道路上的發(fā)展。

維也納工業(yè)大學(xué)的研究人員表示，超薄二維材料與絕緣層之間長期被忽視的納米級(jí)間隙，可能導(dǎo)致許多原本被寄予厚望的芯片材料無法實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體行業(yè)期待的微型化增益。

研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，數(shù)種因電子特性備受贊譽(yù)的二維材料，一旦被集成到實(shí)際器件中，可能變得不再適用。問題并非出在材料本身，而在于它與晶體管內(nèi)部必需的氧化物絕緣層之間的相互作用方式。

諸如石墨烯和二硫化鉬等二維材料，因其僅有一個(gè)或幾個(gè)原子層的厚度，一直被視為未來芯片的候選材料。這種超薄特性使得它們在構(gòu)建更小、更節(jié)能的電子器件方面極具吸引力。

但維也納工業(yè)大學(xué)的研究人員強(qiáng)調(diào)，器件設(shè)計(jì)者不能孤立地評(píng)判這些材料。當(dāng)二維材料與絕緣體結(jié)合時(shí)，許多組合會(huì)形成一種不可避免的微觀間隙，從而削弱對電場的調(diào)控能力。

隱藏的間隙難題

“多年來，研究者們對石墨烯或二硫化鉬這類新型二維材料卓越的電子特性著迷，這完全合情合理，”馬赫迪·普爾法特教授說道，“然而，常被忽略的一點(diǎn)是，僅靠二維材料本身無法構(gòu)成電子器件。我們還需要一層絕緣層——通常是氧化物。”

在晶體管中，柵極通過切換半導(dǎo)體的導(dǎo)通與關(guān)斷狀態(tài)來實(shí)現(xiàn)功能。為了高效完成這一操作，柵極與導(dǎo)電溝道之間必須用一層盡可能薄的絕緣層隔開。

然而，研究人員發(fā)現(xiàn)，許多二維材料與氧化物之間較弱的鍵合作用會(huì)形成一個(gè)約0.14納米的間隙。這個(gè)間隙雖小，卻顯著降低了層間的電容耦合，從而限制了柵極對器件的有效控制能力。

“在眾多二維材料與絕緣層的組合中，兩者之間的結(jié)合力相對較弱，”蒂博爾·格拉塞爾教授解釋說，“它們僅靠所謂的范德華力維系在一起。”

研究團(tuán)隊(duì)指出，無論材料在實(shí)驗(yàn)室測試中展現(xiàn)出的本征性能有多強(qiáng)，這個(gè)間隙都可能成為未來芯片微縮化的真正瓶頸。

前景更佳的材料

研究人員也勾勒出了一條通過所謂“拉鏈材料”解決問題的路徑。在這類結(jié)構(gòu)中，半導(dǎo)體與絕緣體之間不再是松散的附著，而是更為緊密地相互咬合。

這種更牢固的結(jié)合能夠消除造成問題的間隙，并恢復(fù)晶體管持續(xù)微縮所需的電氣性能。

“如果半導(dǎo)體行業(yè)想成功應(yīng)用二維材料，那么從設(shè)計(jì)之初就必須將導(dǎo)電層與絕緣層視為一個(gè)整體來考慮，”普爾法特表示。

“我們的工作對半導(dǎo)體行業(yè)來說是個(gè)好消息，”格拉塞爾說，“我們現(xiàn)在能夠預(yù)測哪些材料組合適合未來的微型化步驟，哪些則不適合。”

這一發(fā)現(xiàn)有助于芯片制造商避免在那些面臨固有物理極限、難以投入商業(yè)生產(chǎn)的材料體系上投入巨資。

隨著半導(dǎo)體行業(yè)持續(xù)尋找硅材料的繼任者，這項(xiàng)研究表明，下一個(gè)突破或許不再僅僅依賴于某種單一的“神奇材料”，而更多取決于對多層結(jié)構(gòu)之間界面的精心設(shè)計(jì)。

該研究已發(fā)表在《科學(xué)》期刊上。

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