集微网消息，综合媒体报道，新型二维（2D）材料（其厚度约为1个原子）生产的突破将为向下一代半导体的过渡铺平道路，中国科学家成功利用新型半导体材料生产12英寸晶圆，且成本较低，虽然将它们转变为可用的芯片仍然需要做一些工作，但科学家们预计其最终将与硅芯片相辅相成。
7月30日，《科学通报》（ScienceDirect）发表了松山湖材料实验室/北京大学教授刘开辉、北京大学物理学院薛国栋、中国科学院院士王恩哥团队，松山湖材料实验室/中国科学院物理研究所研究员张广宇团队及中国人民大学刘灿教授等合作者的最新研究成果，论文标题是《Modularized batch production of 12-inch transition metal dichalcogenides by local element supply》（模块化局域元素供应技术批量制备12英寸过渡金属二硫属化物），他们提出模块化局域元素供应生长技术，成功实现了半导体性二维过渡金属硫族化合物晶圆批量化高效制备，晶圆尺寸可从2英寸扩大至与现代半导体工艺兼容的12英寸，该方案展示了高质量和高产量的晶圆输出，并有可能实现从实验室规模到工业规模的无缝过渡。相关团队在北京制定了制造策略，并在东莞松山湖材料实验室进行了验证。
拥有优异特性 2D材料成下一代器件半导体关键
该论文称，2D过渡金属二硫属化物（TMD）因其原子级厚度、高载流子迁移率和超快电荷传输而被视为下一代器件的关键半导体候选者。二维过渡金属二硫属化物是最具应用前景的二维半导体材料体系之一，具备层数依赖的可调带隙、自旋-谷锁定特性、超快响应速度、高载流子迁移率、高比表面积等优异的物理性质。
尽管硅非常适合半导体加工，但随着器件尺寸不断减小，当前的硅芯片遇到了困难。该项目首席科学家、北京大学教授刘开辉称，“当硅晶体管变得更薄时，它们对电压的控制变得更差。即使设备不工作，电流也会存在。这会带来额外的能源成本和热量产生。”
新的2D材料由具有一层至多层原子的晶体固体组成，非常薄，由于其天然的原子级厚度，赋予了晶圆优异的半导体特性，可以解决以上问题，并且可能在许多高性能电子设备中得到应用。“由单层MoS2（一种典型的2D材料）制成的晶体管，厚度约为1nm，其性能比用相同厚度的硅制成的晶体管好很多倍。一些2D材料被认为是1nm及以下集成电路的重要材料系统。它们还被业界认为能够延续甚至超越摩尔定律。”刘开辉说。
2D材料晶圆制造面临挑战 科学家找到新方法解决
在每一层中，2D材料可以单独存在，允许它们逐层堆叠，例如石墨烯或过渡金属二硫属化物（TMD），包括二硫化钼、二硫化钨、二硒化钼和二硒化钨。晶圆材料是推动2D半导体技术迈向产业化的根基，如何实现批量化、大尺寸、低成本制备2D半导体晶圆是亟待解决的科学问题，且需保证高均匀性和器件性能。
刘开辉表示，其团队的工作为业界保证了2D材料的实际应用。“如果未来有产业需求，该领域的进展将会突飞猛进。”
制造12英寸（300mm）的大尺寸而均匀的扁平圆片需要大量的专业知识，这是一项艰巨的任务。虽然之前生产过2英寸模型，但事实证明扩大晶体生长工艺很困难，美国、韩国、英国和日本的研究人员都发现难度很大。
传统上，晶圆通常使用一种称为点到面的方法在熔炉中生长，其中需求源通过上方的喷嘴以粉末形式提供。当晶圆很小时，这种方法效果很好。但随着尺寸的增加，炉内源的扩散变得不均匀，导致晶圆质量下降。
该论文的第一作者、博士生薛国栋说：“我们开发了一种新方法，利用面对面的供给方法来确保均匀生长。在制造MoS2芯片时，硫族化物晶体板（ZnS）与溶液分散熔盐（Na2MoO4）配合用作元素源。”新方法意味着晶圆尺寸不再受到限制。“该策略确保了炉内原料的均匀和充足供应，并解决了之前晶圆尺寸的限制。我们还可以做更大的，但是12英寸是最常用的尺寸。”刘开辉说。
实验设计将过渡金属硫族化合物制备所需的多种前驱体与生长衬底，以“面对面”模式组装构成单个生长模块。论文进一步表示，由于生长过程中多种前驱体的有效质量传输所需的严格条件，TMD晶圆的生产能力通常局限于每批次的单个小片（主要范围为2至4英寸）。团队开发了用于批量生产晶圆级TMD的模块化生长策略，能够制造2英寸晶圆（每批次15片）到创纪录的大尺寸12英寸晶圆（每批次3片）。每个模块都包含自给自足的本地前驱体供应单元，用于稳健的单个TMD晶圆生长，并与其他模块垂直堆叠以形成集成阵列，从而实现批量生长。此外，这些模块化单元通过将生产的晶圆级MoS2转换为各种结构（例如MoSSe Janus结构、MoS2(1−x)Se2x合金化合物以及MoS2-MoSe2平面异质结）而展示了多功能性。
新的堆叠方法意味着可以同时生长多层2D材料，从而实现无与伦比的效率和低廉的生产成本。据悉，松山湖材料实验室工程团队已设计相关设备，现在每台机器每年可以生产10000片2D晶圆。
2D材料晶圆转变为应用芯片 还需工业技术迭代
虽然晶圆已经成功制造，但将它们转变为可应用的芯片仍然需要复杂的设计和雕刻，例如光刻和沉积。但刘开辉对未来充满信心，“正如半导体行业的历史所表明的那样，迭代是关键，一些障碍可能会通过工业精炼来克服。”
现有的微加工技术需要进一步探索和优化，以使2D半导体材料的物理特性与硅基技术相匹配。
刘开辉表示，“台积电、英特尔和三星等领先的半导体公司正在大力投资研发。2D半导体从实验室到工业应用存在过渡阶段。在国家自然科学基金委员会的支持下，中国高度重视相关技术的研发。业界相信这种新材料将在未来发挥至关重要的作用，但其采用的时机取决于硅的局限性何时成为重大痛点。”
（校对/张杰）
