美國能源部羅倫斯柏克萊國家實驗室(Berkeley Lab)開發出一種結合採用2D石墨烯材料和二硫化鉬(MoS2)電晶體的組裝方法。

該方法在以石墨烯襯底的二氧化矽基板上蝕刻窄通道,接著再以過渡金屬二硫屬化物(TMDC)或更具體的是MoS2。這兩種材料均為只有一原子層的2D結構。這種合成方法能夠覆蓋幾平方公分大小的區域,從而開啟了在晶圓廠以晶圓實現商用規模生產的可能性。

「這項成果可說是朝著在更小面積打造原子級電路或封裝更多運算能力的可擴展、可重覆之路跨出了一大步,」柏克萊國家實驗室資深研究員Xiang Zhang表示。

研究人員們著眼於僅有一個分子厚的2D晶體,作為延續摩爾定律的替代材料。這些晶體也至於受到矽晶的限制。

在此背景下,柏克來實驗室的研究人員開發出一種生長單層半導體的方式,如TMDC MoS2,將導電石墨烯層蝕刻於通道中。採用兩種原子層組合的方式形成奈米級接面,讓石墨烯得以有效注入電子於MoS2通道的導電帶。這些接面能夠實現原子級厚度的電晶體,研究人員指出,相較於僅採用金屬觸點注入電流於TMDC的傳統方法,這種採用2D材料組裝電路的方式更有助於提高性能。

201607104 Berkeley NT01P1 示意圖顯示2D晶體的化學組成。首先將石墨烯蝕刻於通道中,TMDC MoS2開始在通道內沿著邊緣形成核心。在這些邊緣上,MoS2稍微重疊在石墨烯頂部。最後,MoS2進一步生長的結果,完整地填充了這些通道。(來源:Berkeley Lab)

光學和電子顯微鏡影像,以及光譜映射,分別確認有關於成功形成與2D晶體功能性等各種不同方面。

研究團隊將這些電晶體組裝於逆變器的邏輯電路中,展示了這些結構的適用性,並進一步強調該技術適於於量產商用IC以及組裝原子電腦。

柏克萊國家實驗室首席研究員暨柏克萊大學(UC Berkeley)博士生Mervin Zhao表示,「這兩種2D晶體能以相容於現有半導體製造的方式,以晶圓級進行合成。藉由整合我們的技術與其他的生長系統,未來的運算可望完全以原子級晶體來完成。」

這項研究已發表於最新一期的《自然奈米技術》(Nature Nanotechnology)期刊中。

編譯:Susan Hong

(參考原文:Berkeley Lab makes graphene-MoS2 transistor,by Peter Clarke)