选自spectrum.ieee.org
作者：Samuel K. Moore
机器之心编译
编辑：陈萍

2D 材料可以使晶体管尺寸进一步缩小 ， 是拓展摩尔定律可行的一个方案 。

早在 1965 年 ， 计算机科学家戈登 · 摩尔（Gordon Moore）首先提出假设：集成电路上可以容纳的晶体管数目在大约每经过 18 个月便会增加一倍 ， 同时计算机的运行速度和存储容量也翻一番 。 这就是半导体领域著名的摩尔定律 。 现在 ， 一个指甲大小的芯片可以承载数百亿个晶体管 ， 与此同时 ， 可以塞进单个芯片的晶体管数量几乎达到了极限 。

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为了让摩尔定律继续下去 ， 你可能会想到把晶体管缩小到只有原子厚度 。 不幸的是 ， 这种想法不适用于硅 。 因为硅的半导体特性需要第三维度 。 但有一类材料可以充当半导体 ， 尽管它们是二维的 。 一些芯片公司和研究机构最新结果表明 ， 一旦硅达到极限 ， 这些 2D 半导体可能是一个很好选择 。
近日 ， 在旧金山举行的 2021 IEEE 国际电子设备会议 (IEDM 2021) 上 ， 来自英特尔、斯坦福和台积电的研究人员针对制造 2D 晶体管最棘手的障碍之一提出了单独的解决方案：在半导体与金属接触的地方有尖锐的电阻尖峰 。 与此同时 ， 来自校际微电子中心 IMEC 的工程师展示了他们如何为商业级晶体管制造工艺扫清道路 ， 并展示了未来 2D 晶体管最小会达到什么程度 。 此外 ， 来自北京和武汉的研究人员已经构建了硅器件 2D 等效物 。
英特尔、斯坦福和台积电等探索 2D 半导体
来自斯坦福大学的电气工程教授 Krishna Saraswat 表示：硅已经达到极限 ， 人们声称摩尔定律已经结束 ， 但在我看来情况并非如此 。 摩尔定律可以继续进入第三维度 。 为此 ， 我们需要 2D 半导体或类似的东西 。 Saraswat 教授与同来自斯坦福大学的 Eric Pop 教授和 H.-S. Philip Wong 教授一起研究 3D 芯片 。
2D 半导体属于一类称为过渡金属二硫属化物（transition metal dichalcogenides）的材料 。 其中 ， 研究最广泛的是二硫化钼（MoS_2） 。 理论上 ， 与二硫化钼相比 ， 电子应该更快的穿过二硫化钨（另一种 2D 材料） 。 但在英特尔的实验中 ， 二硫化钼器件更胜一筹 。
在之前的研究中 ， 金是与二硫化钼形成晶体管的首选触点 ， 但是沉积金（depositing gold）和其他高熔点金属会损坏二硫化钼 。 因此 ， Krishna Saraswat 教授学生 Aravindh Kumar 试验了熔点在数百摄氏度以下的铟和锡 。
但铟和锡熔点值太低 ， 以至于在芯片后期的加工和封装过程中（这时芯片暴露在高达 300-500 摄氏度的温度下）这些金属会熔化 。 更糟糕的是 ， 这些金属在加工过程中会被氧化 。 Kumar 通过将低熔点金属与金进行融合 ， 形成合金来解决 。 首先 Kumar 将铟或锡沉积在二硫化钼上 ， 以保护半导体 ， 然后用金覆盖以隔离氧气 。 该过程产生了具有 270 欧姆 - 微米电阻的锡金合金和具有 190 欧姆 - 微米电阻的铟金合金 ， 并且这两种合金在至少 450 摄氏度下保持稳定 。

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沉积金破坏了 2D 半导体 。 但是铟和锡沉积在二硫化钼上 ， 保护半导体
与 Kumar 研究不同的是 ， 芯片制造商台积电和英特尔找到了不同的解决方案——锑 。 台积电专门研究低维芯片的 Han Wang 表示 ， 通过使用半金属作为触点材料来降低半导体和触点之间的能量障碍 。 半金属（例如锑）是一种介于金属和半导体之间且带隙为零的材料 ， 由此产生的肖特基势垒非常低 ， 因而台积电和英特尔设备的电阻都很低 。