突破極限：成功製作高效能 2D 半導體，與先進晶片整合
2023 年 9 月 19 日，資料來源：賓夕法尼亞大學
背景
在如今的半導體產業中，我們面臨著三個重大使命：提高計算能力、減小晶片尺寸以及管理密集整合電路的功耗。為了滿足這些需求，我們不能僅局限於矽材料，而需要找到更適合日益增長的計算需求的新型晶片材料。儘管未來可能在近期或遙遙無期內不會完全放棄這種工作馬的材料，但科技行業需要在晶片材料和架構上進行創新，以生產出適合日益增長計算需求的裝置。
挑戰
矽材料的一個最大缺點是由於其材料特性在基本上只能約束在三個維度（三維），因此無法製造太薄的晶片。因此對於科學家、工程師和微電子製造商來說如此薄到幾乎沒有厚度的二維（2D）半導體成為了一個引人關注的物件。更薄的晶片元件將提供更大的控制和精確度，同時降低供電所需的能量量。2D 半導體還將有助於最小化晶片的表面積，位於一個薄膜之上，支撐著矽製裝置。
然而直到最近，製造這種材料的嘗試一直未能成功。某些 2D 半導體在單獨應用時表現出色，但在沉積時需要極高的溫度，這樣就會摧毀底下的矽晶片。其他矽相容性的溫度沉積卻缺乏了電子特性（能源使用、速度、精確性）。有些化合物在溫度和效能方面都符合要求，但無法以行業標準尺寸的純度生長。
突破與應用
如今賓夕法尼亞大學工程與應用科學學院的研究人員成功地在全尺寸的工業規模晶圓上生長了一種高效能的 2D 半導體。此外該半導體材料──碲化銦（InSe）──可以在與矽晶片整合的溫度下沉積。
論文中指出，賓夕法尼亞大學的電氣與系統工程系副教授兼彼得與蘇珊·阿姆斯壯著名學者 Deep Jariwala 與該系的博士後研究員 Seunguk Song 共同帶領了這項研究。研究結果最近發表在《Matter》雜誌上。
於此，Jariwala 教授表示：“半導體製造是一個工業規模的製造過程。除非你能在工業規模晶圓上生產出具有實用價值的材料，否則這種材料就無法被市場接受。你能在一批中製造越多的晶片，價格就會越低。但該材料還必須保持純度，以確保效能。這就是為什麼矽材料如此普遍──你可以大量生產而不會影響純度。”
突破性技術
InSe 作為一種 2D 材料，因其卓越的電荷傳導能力而一直體現出潛在的應用價值。然而由於銦和碲之間的化學性質易於產生幾種不同的分子比例組合，並帶有不同元素比例的化學結構，因此製造足夠大面積的 InSe 薄膜一直是一個棘手的問題，這也嚴重影響了其純度。
研究團隊的成功在於 Song 的一種生長技術，該技術克服了 InSe 原子結構的特殊性。Song 表示：“對於先進的計算技術而言，2D InSe 的化學結構需要在兩個元素之間保持精確的 50:50 比例。該材料需要在大面積上具有均勻的化學結構。”
Song 運用了一種名為“垂直金屬有機化學氣相沉積”的生長技術（MOCVD）。之前的研究曾嘗試將銦和碲以相等的量同時匯入，但 Song 證實了該方法是材料中不希望出現的化學結構的來源，這種方法會生成帶有每一元素不同比例的分子。相反，MOCVD 的工作方式是在連續的流中輸送銦，同時透過脈衝方式匯入碲。
Song 表示：“透過這種脈衝方式，可以讓銦和碲有足夠的時間結合。在脈衝之間的瞬間，你可以把環境中的碲完全移除，這樣可以防止比例變得太高。脈衝的好處在於暫停，這就是我們在整個全尺寸晶圓上實現均勻的 50:50 比例的方式。”
研究團隊還能夠控制和對齊材料中的晶體方向，這進一步提升了半導體的質量，為電子傳輸提供了無縫的環境。
Jariwala 教授表示：“對於一個半導體材料來說兩個最重要的品質是化學純度和晶體有序性，最重要的工業品質則是可擴充套件性。這種材料擁有這三個方面的卓越品質。”
結論
這項研究結果將在半導體製造和計算裝置領域帶來重大的影響。成功製造出高效能的 2D 半導體，並將其與先進晶片整合，將使我們能夠更有效地增加計算能力、減小晶片尺寸，同時降低功耗。與傳統的矽材料相比，這種 2D 半導體具有更優異的效能特點，還能夠適應日益複雜的計算需求。
然而這項技術仍然處於實驗階段，需要進一步的研究和開發。例如，我們需要確保大規模生產這種 2D 半導體的可行性，並解決可能出現的製造問題。同時我們還需要仔細評估這種新材料的潛在風險和應用挑戰，並採取相應的措施以確保其安全性和可持續性。
在科技的持續發展中，我們常常會面臨各種技術突破和創新。透過這樣的研究，我們越來越接近創造更強大、更高效的晶片技術，這將對我們的日常生活和工業發展產生深遠的影響。
