纽约大学:二维半导体器件制造工艺取得重要突破！

目前，以硅为代表的传统半导体材料正面临严峻挑战。科研人员通过原理创新、结构改进、工艺进步，很难大幅提升硅基半导体器件的整体性能。“后摩尔时代”已经悄然到来。作为有望取代硅基半导体材料的新一代半导体材料，二维半导体的研究近年来进展迅速。

石墨烯因其机械强度高、导电导热性能好、轻便、柔韧、透明等优点，一度被称为“新材料之王”，这也使得二维材料成为研究热点。不幸的是，石墨烯中碳原子的独特排列并不适合作为半导体，尽管它有利于电子的轻松高速流动。石墨烯没有带隙，因此无法选择“开”或“关”电流，而这种二元开关机制是现代电子器件的基础。

但是除了石墨烯，越来越多的二维材料被人类发现和研究，也有很多二维材料可以作为半导体，比如过渡金属硫族化物、黑磷等。科学家已经通过这些二维材料制造了许多半导体器件，例如:

但在以二硫化钼(MoS2)为代表的二维半导体器件的制造过程中，利用电子束光刻技术在这种原子二维材料的层上纳米雕刻金属电极，目前会造成一些问题，产生“非欧姆接触”和“肖特基势垒”。

改革

最近，纽约大学工程学院化学和生物分子工程系教授Elisa Riedo领导的团队报告了原子级薄处理器制造工艺的重要突破。这一发现不仅将对纳米芯片的制造工艺产生深远影响，还将激励世界各地实验室的科学家探索二维材料在更小、更快的半导体中的应用。

该团队在最新一期的《自然·电子》杂志上发表了他们的研究成果。

技术

他们演示的蚀刻技术采用了加热到100摄氏度的探针，超过了在二硫化钼等二维半导体上制造金属电极的常见方法。科学家认为，这种过渡金属是一种很有前途的材料，可以取代原子微芯片中的硅。我们团队开发的新制造方法称为“热扫描探针刻蚀(t-SPL)”，与目前的电子束光刻(EBL)相比具有一系列优势。

价值

首先，热刻蚀技术显著提高了二维晶体管的质量，抵消了肖特基势垒。肖特基势垒阻碍了二维衬底和金属结处的电子流。其次，与EBL不同，热蚀刻技术使芯片制造商很容易获得二维半导体图像，然后在所需位置描绘电极。第三，t-SPL制造系统有望大幅降低初始投资和运营成本:它们通过在一般环境条件下运行，无需产生高能电子和超高真空，从而大幅降低功耗。最后，这种热处理方法可以很容易地通过使用“平行”热探针来扩展，因此它可以应用于工业生产。

里多说，她希望t-SPL将许多加工过程带出稀缺的洁净室，并将其带入个人实验室。在洁净室里，研究人员必须为这些昂贵的设备争取时间；在个人实验室中，他们将迅速推动材料研究和芯片设计。3D打印机的先例就是一个很好的类比。总有一天，这些分辨率低于10纳米的t-SPL工具会在普通环境条件下运行在标准的120伏电源上，会像她一样遍布各个研究实验室。

参考数据

1/articles/ncomms8702

3郑小芮、安娜丽莎·卡萝、爱德华多·阿尔比塞蒂、、阿卜杜拉·萨纳德·阿尔哈比、吉德翁·阿雷费、刘小池、马丁·施皮塞尔、柳元钟、谷口高史、渡边健二、卡尔梅拉·阿鲁塔、阿尔韦托·恰罗基、安朵斯·基斯、布赖恩·李、米哈尔·利普森、詹姆斯·霍恩、达武·沙赫尔杰尔迪、埃莉萨·里多。使用热纳米光刻在肖特基势垒消失的单层MoS2上图案化金属接触。大自然电子，2019；2(1):17 DOI:10.1038/s 41928-018-0191-0