二维半导体能拯救摩尔定律吗？

过去多年里，半导体行业见证了集成到硅微芯片中的晶体管数量每两年翻一番，但现在，这种状态正在逐渐减弱，研究人员正在想出新的方法来保持摩尔定律的发展。一种具有令人兴奋的前景的方法采用液态金属来生产具有原子级厚度的二维半导体材料。这使得能够在源极和漏极之间创建晶体管沟道，该沟道比硅晶体管中所采用的沟道沟道要薄大约一个数量级。此外，它们还具有令人着迷的特性，例如各种带隙和载流子浓度，以及独特的转导特性（unique transducing properties）。

“这些材料中的自由电荷载流子（即电子和空穴）提供了途径以及降低了充电散设（charge scattering）”， 澳大利亚新南威尔士大学的 Kourosh Kalantar-Zade说。“这意味着极小的阻力。从理论上讲，由于其非常薄的特性，它们还可以非常快速地切换，并在非工作状态下关闭至绝对零电阻。”

但是，一些障碍使得将这些新材料用作集成电路的超薄半导体非常困难。除了在生产中产生的缺陷会抑制电子流动外，迄今为止的主要问题还在于使用传统的沉积方法生产时，其平面上存在的晶粒阻挡层（grain barriers）。

为了克服这个问题，Kalantar-Zadeh的研究小组开发了一种新的沉积方法，以生产一种最有前途的超薄半导体材料，即二硫化钼（MoS 2），并且没有晶粒阻挡层。

“我们利用镓（gallium）的独特功能，与汞不同，它的危害性要小得多，只有29.8度时才具有变成液体的惊人质量 ，”  Kalantar-Zadeh研究小组成员的研究人员王一芳（音译）说。她说，由于镓是一种熔化的金属，因此其表面在原子上是光滑的，但与常规金属一样，其表面提供了大量的自由电子以促进化学反应，这对于新的沉积方法很重要。

Kalantar-Zadeh解释了以下方法。钼和硫的来源靠近液态镓的表面。这引起化学反应，形成钼硫键，进而产生MoS 2。新形成的材料像皮肤一样在镓的原子光滑表面上生长，因此自然形成且没有晶粒。该过程在水溶液中进行并且需要退火以去除水合。然后，使用与距离有关的表面力（例如静电力或偶极力）将其从镓液中去除，并将其转移到准备转变成晶体管元件的衬底上。这样的力在液态金属的表面上不存在，因此合成的MoS2不会粘附在其表面上。

Kalantar-Zadeh说：“与传统的需要硅衬底的芯片不同，二硫化钼表面可以沉积在几乎所有类似玻璃和聚合物的非金属上。您可以将其推出或打印到任何您喜欢的地方。例如，如果您想要柔性的东西，如果您想弯曲它，则可以将其沉积在合适的聚合物基材上以生产柔性电子产品。”

并且由于材料比硅更薄，因此可以根据需要添加多个层，同时也可以使用标准芯片封装。

他们这个实验已经已经证明了沉积方法的可行性，研究人员现在正在努力简化沉积方法，以便可以将其从实验室转移到商业晶圆厂，Kalantar-Zadeh估计可以在未来几年内完成。 

研究人员还计划扩展该方法，以创建其他二维半导体，电介质和导电材料，例如砷化镓，硫化镓和氧化铟锡。