摩尔定律的突破，科学家揭秘未来半导体材料的前沿与挑战！

【科学背景】

随着信息技术的迅猛发展，集成电路的尺寸缩小和功能增强已经成为技术发展的主要趋势。然而，传统的硅基电子技术在面临尺寸缩放的挑战时，遇到了严重的性能瓶颈，如热散射、短沟道效应等问题，这些问题严重影响了晶体管的性能和可靠性。因此，学术界和工业界开始关注寻找新的通道材料来替代传统的硅材料，以应对这些挑战。

二维半导体，即原子薄的二维材料，如过渡金属二硫化物（TMDs）。这些材料由于其特有的范德华斥力和原子薄的结构，表现出在纳米尺度下仍保持优良电特性的能力，且具备单片三维集成的潜力。然而，尽管二维半导体有着诸多优点，其商业化和工业化应用仍面临诸多挑战，如制备工艺的兼容性、材料特性评估标准的缺乏等。

有鉴于此，美国麻省理工学院Ki Seok Kim，韩国三星电子Minsu Seol团队合作提出解决当前技术瓶颈的创新方案。作者探索了二维半导体在晶体管设计中的独特优势，如其超薄的厚度带来的优越的栅控制能力和减少的寄生电容。通过研究和实验验证，作者证明了二维半导体可以有效地解决传统硅材料所面临的尺寸缩放限制和性能衰减问题，从而为未来晶体管技术的发展提供了新的方向。

【表征解读】

本文通过先进的表征手段，深入探讨了二维半导体材料（如TMDs）的性质及其在下一代电子器件中的应用。利用高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）、扫描电子显微镜（SEM）和原子力显微镜（AFM），作者发现了TMDs的单晶相生长特性，揭示了其在亚纳米尺度下的优异电学性能。

针对二维材料中出现的多晶现象，我们采用了拉曼光谱和光致发光（PL）技术，通过分析不同生长条件下样品的光谱特征，得到了与晶体缺陷和界面状态相关的信息。这些微观机理的表征结果表明，TMDs的电导率和移动性受到晶体质量和缺陷分布的显著影响，进而挖掘了其在高性能电子器件中的潜力。

在此基础上，结合原子层沉积（ALD）技术，本文进一步对2D材料的栅介质进行表征，采用X射线光电子能谱（XPS）和高介电常数介质的厚度测量，结果显示出优化的界面特性和提高的器件稳定性。这些发现强调了通过优化栅介质与二维材料的结合，有助于提高器件的整体性能，尤其是在高频应用中的表现。

综上所述，经过系统的微观表征，作者深入分析了TMDs的结构和电子特性，进而制备出新型的二维半导体材料。这一系列的研究不仅推动了对二维材料基础科学的理解，还为未来高性能电子器件的发展提供了重要的理论依据和技术支持。最终，这些研究成果有望在工业化生产中实现，为半导体技术的进步注入新的动力。

【科学图文】

图1： 根据国际器件与系统路线图IRDS设定的路线图绘制的栅极长度和晶体管密度的历史演变。

图2：基于二维2D 过渡金属硫族化合物transition metal dichalcogenides，TMD的多片场效应晶体管field-effect transistor，FET简化工艺流程。

图3：2D半导体器件的接触结构、基准和测量。

图4：2D多片效应晶体管FET的未来接触策略。

图5: 各种介质集成方法的基准。

【科学结论】

本文探索二维过渡金属二硫化物（2D TMDs）作为下一代半导体通道材料的潜力和挑战。传统硅基电子器件面临尺寸缩放难题，而2D TMDs以其超薄且保持高电特性的特性，成为突破传统限制的可能途径。通过实验和工业应用的研究，本文揭示了2D TMDs在面对工艺稳定性、机械性能、热管理及电性能等多方面的挑战时所面临的复杂性。

此外，本文还提出了必要的技术创新和工艺优化路径，以实现2D TMDs从科学研究到工业化生产的转化，进而推动下一代电子器件的发展。通过这些努力，作者可以预见到在未来电子技术中，2D TMDs有望成为取代传统硅基材料的重要候选材料，为电子设备的性能和功耗方面带来显著的改进和创新。

文献详情：Kim, K.S., Kwon, J., Ryu, H. et al. The future of two-dimensional semiconductors beyond Moore’s law. Nat. Nanotechnol. (2024). https://doi.org/10.1038/s41565-024-01695-1