以 2D 半導體提高晶片效能
導言
當前半導體產業正面臨三重挑戰：提升運算能力、縮小晶片尺寸以及管理密集排列電路的能耗。為了應對這些需求，該產業必須超越矽材料，研發適用於日益重要的計算角色的新型晶片材料和架構。儘管矽材料未來可能仍是主力材料，但科技界需要對晶片材料和結構進行創新，以生產符合計算需求的裝置。當前矽材料的一個主要缺點是其僅能制作至某種極限厚度，因為其材料性質在基本上受限於三維空間。為此，使得厚度幾乎為零的二維半導體成為科學家、工程師和微電子製造商關注的物件。薄薄的晶片組成部分能夠更好地控制和精確傳導電力，同時降低裝置所需的能量。二維半導體也有助於將晶片表面積降到最低，將其作為支援矽基晶片的薄膜。然而直到最近，創造出這種材料的嘗試一直未能成功。某些二維半導體在單獨狀態下表現良好，但在沉積過程中需要極高的溫度，從而破壞底層的矽晶片。其他二維半導體可以在與矽相容的溫度下沉積，但在能源使用、速度和精度等電子效能方面存在不足。有一些雖然在溫度和效能方面合適，但無法以產業標準尺寸種植出所需的純度。現在賓夕法尼亞大學工程與應用科學學院的研究人員已經成功種植了一顆高效能的 2D 半導體，並以全尺寸的工業規模晶圓呈現。這種半導體材料是銦硒化物（InSe），可以以足夠低的溫度沉積，與矽晶片整合。1技術突破
工程與應用科學學院的副教授暨 Peter 和 Susanne Armstrong 傑出學者 Deep Jariwala 以及研究員 Seunguk Song 帶領的團隊最近發表的研究成果顯示，銦硒化物已經在作為先進計算晶片的二維材料方面體現出良好的潛力，因為它具有極好的電荷傳導能力。然而製造足夠大面積的 InSe 薄膜一直是一個困難的問題，因為銦和硒的化學性質傾向於以幾種不同的分子比例結合，形成不同元素比例的化學結構，從而降低材料的純度。團隊的成功取決於 Song 所應用的一種成長技術，該技術克服了 InSe 原子結構的問題。在一種被稱為"垂直金屬有機化學氣相沉積"（MOCVD）的成長技術中，Song 展示了之前的研究試圖在同時引入相等量的銦和硒時，導致材料中產生不理想的化學結構，生成不同元素比例的分子。與此相比，MOCVD 透過連續匯入銦而脈沖式匯入硒的方式工作。1 Song 表示："透過間隔時間，你提供了銦和硒結合的時間。在脈沖之間的瞬間，你避免了環境中的硒，從而防止比例過高。這種脈沖的好處就是暫停。這就是我們如何在整個全尺寸晶圓上獲得均勻的 50：50 比例。" 此外團隊還能夠控制和對齊材料中的晶體方向，進一步提高了半導體的品質，提供了無縫的電子傳輸環境。意義和展望
研究小組的成果具有重要的意義。首先他們實現了二維半導體的工業規模種植，這意味著這種材料有望應用於實際生產中的晶片製造。這對於晶片製造業而言是一個重大突破，因為只有當晶片材料能夠被大規模生產時，其價格才會降低。其次這項研究還解決了二維材料製造中的一個關鍵問題，即材料的純度。材料的純度對於其效能至關重要，而這一問題一直困擾著科學家和工程師。該研究所使用的垂直 MOCVD 技術提供了一種可行且可擴充套件的方法來大規模生產純度高的二維半導體。最後這項研究還展示了這種新型半導體材料的應用潛力。與現有的矽材料相比，InSe 不僅具有更好的電荷傳導能力，還可以在與矽晶片相容的溫度下進行純度高的沉積。這樣的特性使得 InSe 成為未來計算裝置中的一個有吸引力的材料選擇。1結論與展望
科技界一直在尋求改進計算裝置效能的途徑，二維半導體的出現為這一目標提供了新的可能性。透過成功實現工業規模的種植和確保高度純淨的材料，研究人員在實現矽材料以外的創新晶片材料方面邁出了重要一步。然而這項研究還處於實驗室階段，未來仍需面臨許多關鍵挑戰。首先科學家需確保生產過程的可靠性和穩定性，以滿足工業規模生產的要求。其次研究人員需要進一步改進材料的效能，例如能源利用率、速度和準確性，以實際應用於計算裝置中。最後考慮到環境問題的重要性，科學家和工程師需關注新材料的可持續性。 以此研究為基礎，科學家應該共同努力尋找更好的晶片材料來推動計算裝置的發展。這樣的研究能夠為未來的技術創新提供重要的支援，提高晶片的效能和能源效率。同時政府和產業界也應該投入更多資源和支援，以推動這一領域的研究和開發，並促進技術的商業應用。參考資料
1. Seunguk Song et al, Wafer-scale growth of two-dimensional, phase-pure InSe, Matter (2023). DOI: 10.1016/j.matt.2023.07.012本文經科學網編輯審核，賦予該內容的可信性。科學網強調以下屬性：經過事實核查、經過同行評審的出版物、校對完善。
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