研究人員拿著一塊8英寸的二硫化鉬薄膜的CMOS晶圓。右邊是研究人員開發的熔爐，使用不損害晶片的低溫工藝在晶片上“生長”一層二硫化鉬。圖片來源：麻省理工學院

美國麻省理工學院一個跨學科團隊開發出一種低溫生長工藝，可直接在硅芯片上有效且高效地“生長”二維（2D）過渡金屬二硫化物（TMD）材料層，以實現更密集的集成。這項技術可能會讓芯片密度更高、功能更強大。相關論文發表在最新一期《自然·納米技術》雜志上。

這項技術繞過了之前與高溫和材料傳輸缺陷相關的問題，縮短了生長時間，并允許在較大的8英寸晶圓上形成均勻的層，這使其成為商業應用的理想選擇。

新興的人工智能應用，如產生人類語言的聊天機器人，需要更密集、更強大的計算機芯片。但半導體芯片傳統上是用塊狀材料制造的，這種材料是方形的三維（3D）結構，因此堆疊多層晶體管以實現更密集的集成非常困難。然而，由超薄2D材料制成的晶體管，每個只有大約三個原子的厚度，堆疊起來可制造更強大的芯片。

讓2D材料直接在硅片上生長是一個重大挑戰，因為這一過程通常需要大約600℃的高溫，而硅晶體管和電路在加熱到400℃以上時可能會損壞。新開發的低溫生長過程則不會損壞芯片。

過去，研究人員在其他地方培育2D材料后，再將它們轉移到芯片或晶片上。這往往會導致缺陷，影響最終器件和電路的性能。此外，在晶片規模上順利轉移材料也極其困難。相比之下，這種新工藝可在8英寸晶片上生長出一層光滑、高度均勻的層。

這項新技術還能顯著減少“種植”這些材料所需的時間。以前的方法需要一天多的時間才能生長出一層2D材料，而新方法可在不到一小時內在8英寸晶片上生長出均勻的TMD材料層。

研究人員表示，他們所做的就像建造一座多層建筑。傳統情況下，只有一層樓無法容納很多人。但有了更多樓層，這座建筑將容納更多的人。得益于他們正在研究的異質集成，有了硅作為第一層，他們就可在頂部直接集成許多層的2D材料。