下一代芯片材料：硅的替代者
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美国能源部普林斯顿等离子体物理实验室 (PPPL)的研究人员正在开发下一代芯片，这种芯片将更小、更薄、更高效。由 Shoaib Khalid 领导的研究小组正在研究使用过渡金属二硫化物 (TMD) 替代处理器中的硅。
在接受 Tom's Hardware 采访时，Shoaib 表示：“芯片越来越小，以至于其功能和尺寸几乎已达到极限。”摩尔定律指出，半导体中晶体管的数量每两年就会翻一番。然而，随着工艺节点变得越来越小，摩尔定律预计将放缓至三年，而不是通常的两年。此后，随着我们开始达到两纳米或更小的尺度，我们将很快达到半导体的物理极限。
Shoaib 和他的团队正在研究使用 TMD 作为 2D 材料来取代当前的 3D 芯片设计。TMD 可以薄至三个原子，并且像金属三明治一样起作用——“面包”使用硫族元素，也称为氧族元素。这可以是氧、硫、硒或碲。然后任何过渡金属都可以作为“三明治”的填充物。
由于 TMD 非常薄，任何一层中缺失或多出原子等微小变化都会影响材料的性能。虽然这些变化被称为“缺陷”，但它们不一定是有害现象。例如，在 TMD 制造过程中氢的存在会导致电子过量。这会使 TMD 带负电荷。
Shoaib 表示：“根据缺陷的类型和性质，它们在材料中的行为会有所不同，并可能改变材料的性质。例如，它们可以在材料中产生过量的电子，使其成为 n 型（具有更多电子的材料）或产生更多的空穴，使其成为 p 型（具有更多空穴或正电荷的材料）。”
计算机芯片使用带负电 (n 型) 和带正电 (p 型) 材料的组合来提供更好的导电性。当前的半导体技术使用掺杂来有意获得这些特性。通过了解 TMD 上的缺陷是如何引起的，我们可以在原子尺度上创建这些 n 型和 p 型材料。
硅半导体和 TMD 背后的原理相同，但后者有几个优点。Shoaib 说，TMD 具有可调节的带隙，可通过改变层数来控制；它们可以薄到单层，只有三个原子高。你可以使用不同的材料来制造它们，而且它们既灵活又耐用。“最终的目标是拥有更智能、更便宜的芯片，”Shoaib 说。
Shoaib 和他的团队今天要解决的问题很可能与 50 年前研究第一批半导体的研究人员面临的问题相同。不过，他们研究的规模更大，尺寸更大。PPPL 团队正在解决同样的问题，不过是在原子层面。
那么，我们多久才能在手机和电脑中看到 TMD？台积电已经在研究 1nm 芯片，其他公司也推出了2036 年前亚纳米晶体管的发展路线图。“像英特尔这样的公司已经在研究用这些 TMD 制造晶体管，”Shoaib 说。“我认为，到 2030 年，我们可能会拥有一个可用于设备的真正的 TMD 晶体管。”
检测未来技术的缺陷
硅计算机芯片已经为我们服务了半个多世纪。目前市面上芯片上最小的特征尺寸约为 3 纳米——考虑到人类头发的宽度约为 80,000 纳米，这个尺寸小得惊人。减小芯片上的特征尺寸将有助于我们满足对掌上内存和处理能力的无尽需求。但标准材料和工艺所能实现的极限已经接近。
美国能源部（DOE）普林斯顿等离子体物理实验室（PPPL）的研究人员正在运用他们在物理、化学和计算机建模方面的专业知识来创建下一代计算机芯片，旨在寻找能够生产具有更小特征的芯片的工艺和材料。
PPPL 副研究员物理学家 Shoaib Khalid 表示：“我们现有的所有电子设备都使用由硅制成的芯片，硅是一种三维材料。现在，许多公司都在大力投资二维材料芯片。”这些材料实际上是三维的，但它们非常薄——通常只由几层原子组成——因此科学家们习惯称它们为 2D。
Khalid 与 PPPL 的 Bharat Medasani 和特拉华大学的 Anderson Janotti 一起研究了一种潜在的硅替代品：一种称为过渡金属二硫属化物 (TMD) 的 2D 材料。他们发表在《2D 材料》杂志上的新论文详细介绍了 TMD 原子结构中可能发生的变化、这些变化发生的原因以及它们如何影响材料。有关这些变化的信息为改进制造下一代计算机芯片所需的工艺奠定了基础。最终目标是设计基于等离子体的制造系统，以制造出符合应用所需的精确规格的基于 TMD 的半导体。
TMD 的厚度可以只有三个原子那么薄。可以把它想象成一个微型金属三明治。面包由硫族元素制成：氧、硫、硒或碲。填充物是一层过渡金属——元素周期表中第 3 至第 12 族的任何金属。
块体 TMD 有五层或更多层原子。原子排列成晶体结构或晶格。理想情况下，原子在整个晶格中以精确且一致的模式排列。实际上，可以在模式中发现微小的改变。模式中的某个点可能缺少一个原子，或者原子可能位于奇怪的位置。科学家将这些改变称为缺陷，但它们可以对材料产生有益的影响。
例如，一些 TMD 缺陷可以使半导体更具导电性。无论是好是坏，科学家都必须了解缺陷产生的原因以及它们将如何影响材料，以便他们能够在必要时纳入或消除这些缺陷。了解常见缺陷还可以让研究人员解释过去使用 TMD 进行实验的结果。
“当批量制造 TMD 时，它们会产生过量的电子，”Khalid 说道，并补充说研究人员不确定这些过量的带负电粒子存在的原因。“在这项研究中，我们解释说，过量的电子可能是由氢引起的。”
研究人员在计算了形成不同类型 TMD 缺陷所需的能量后得出了这一结论。他们研究了涉及硫族元素空位的缺陷（之前已知硫族元素空位存在于 TMD 中）和涉及氢的缺陷（因为这种元素在芯片制造过程中经常存在）。研究人员特别感兴趣的是找出哪些缺陷需要最小的形成能量，因为这些缺陷很可能会发生——它们的发生不需要太多能量！
随后，研究小组调查了每种低形成能缺陷的作用。具体来说，他们想知道每种缺陷结构如何影响材料的电荷。研究人员发现，其中一种涉及氢的缺陷结构提供了过量的电子，从而产生了带负电的半导体材料，称为 n 型。计算机芯片是使用 n 型半导体材料和带正电或 p 型材料的组合制成的。
论文探讨的另一种缺陷类型是硫族元素空位：根据 TMD 的类型，缺失氧、硫、硒或碲原子。研究人员专注于解释过去对块状 TMD 材料二硫化钼薄片进行的实验结果。实验涉及将光照射到 TMD 上，结果显示来自 TMD 的光频率出乎意料。研究人员发现，这些意外频率可以通过与硫族元素空位相关的电子运动来解释。
该模型显示了缺失的硫族元素原子应该在的位置，以黑色圆圈表示，该圆圈位于未受干扰的原子图案的中心。此视图俯视 TMD 的中间层。
“这是一种常见的缺陷。在生长 TMD 薄膜时，他们经常可以从扫描隧道显微镜的图像中看到它，”Khalid 说。“我们的工作提供了一种策略来研究块体 TMD 中这些空位的存在。我们解释了过去在二硫化钼中显示的实验结果，然后我们预测了其他 TMD 也会出现类似的情况。”
研究人员建议的方法是使用光致发光测量技术分析 TMD 中的缺陷，以查看材料发射的光频率。光的峰值频率可用于确定 TMD 中原子的电子结构和硫族元素缺陷的存在。该期刊文章包含有关五种具有硫族元素空位的 TMD（包括二硫化钼）发射的频率的信息。因此，结果为未来实验中研究硫族元素空位提供了指导。
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