美研究人员发现新型超薄二维半导体材料有望代替硅应用于下一代电子产品

[据物理学组织网站2017年8月11日报道] 硅材料价格低廉、产量丰富、具有合适的禁带宽度(1.1 eV)，其稳定氧化物二氧化硅还是天然兼容的理想电介质材料，一直以来都是最理想的半导体材料。然而，下一代高效、节能电子产品要求计算芯片厚度要达到小至几个原子厚的超薄水平，而继续采用硅材料将无法满足这一要求。近日，斯坦福大学的研究人员发现金属铪和锆的联硒化物二维材料HfSe2和ZrSe2具有可与硅材料相媲美甚至更优越的半导体特性，有望代替硅材料应用于未来半导体器件中。该研究已在《科学进展》杂志发表。研究人员利用新材料制造出了能耗低于硅基电路、仅三个原子厚的功能电路。虽然目前仍处在实验室研究阶段，但却是向实现可满足未来电子器件需求的更薄、更节能芯片制造的关键一步。

硅材料之所以能成为当前业界主流的半导体材料，主要原因是硅材料具有其他材料所不具有的优越特性。硅的禁带宽度为1.1 eV，可使硅器件完成低电压、低漏流操作。此外，硅的稳定氧化物二氧化硅是高质量的绝缘体材料，与单晶硅晶格匹配、天然兼容，而其他大多数主流半导体材料却缺乏稳定的绝缘氧化物，必须沉积额外的绝缘体材料，在增大工艺复杂性的同时也带来了兼容性问题。新二维半导体材料具有可与硅材料相媲美的优越特性，HfSe2和ZrSe2的禁带宽度与硅非常接近，介于0.9 eV和1.2 eV之间(从块体到单层的禁带宽度范围)。两种材料的对应氧化物分别为HfO2和ZrO2，是与二氧化硅相似的良好绝缘体材料，特别值得一提的是，HfO2和ZrO2的介电常数要比二氧化硅高得多，这是新材料较硅基材料更为优越之处。
 

研究人员基于对两种新材料半导体结构及特性的研究，成功制造出仅三个原子层厚度(不到0.7纳米)且能在空气中稳定工作的晶体管，尺寸比硅基晶体管缩小了10倍。经电学测试显示，基于两种新材料的晶体管具有良好的器件性能，开关电流比大于106，介电材料HfO2和ZrO2与HfSe2和ZrSe2的天然兼容性也使界面缺陷得到了有效控制，极大消除了因此而造成的不利影响。新材料的应用有望使未来电子产品电源的使用寿命得到大幅延长、实现更为复杂的功能。

研究人员指出，下一步还有很多工作要做。首先，必须改善晶体管与超薄电流间的电接触，这是所有新型半导体器件都必须要面对的挑战。基于新型材料的集成电路已缩小至原子尺度，加大了解决问题的难度。其次，研究人员还需要更好地控制绝缘层的氧化工艺，使绝缘层在保持稳定的前提下尽量变薄。最后，在实现前两步工作的前提下，研究人员将开始探索新材料与其他材料的集成技术，从而将研究规模扩展至晶圆、复杂电路和完整系统的层次。