遵循摩爾定律，自20世紀60年代以來，微芯片上的晶體管數量每年翻一番，但這種增長預計將達到極限，因為作為現代晶體管基礎的矽，當用它製成的設備低於一定尺寸時，就會失去其電氣特性。

再來談談二維材料- 精緻的、二維的完美晶體片，其厚度只有一個原子。在納米尺度上，二維材料可以比矽更有效地傳導電子。因此，尋找下一代晶體管材料的工作集中在二維材料上，作為矽的潛在繼承者。

但是在電子工業能夠過渡到二維材料之前，科學家們必須首先找到一種方法，在工業標準的矽片上安放這些材料，同時保留其完美的結晶形式。而麻省理工學院的工程師現在可能有一個解決方案。

該團隊已經開發出一種方法，可以使芯片製造商通過在現有的矽和其他材料的晶圓上生長，用二維材料製造出更小的晶體管。這種新方法是一種”非外延式單晶生長”的形式，該團隊首次使用這種方法在工業矽晶圓上生長出純淨的、無缺陷的完美二維材料。

通過他們的方法，研究小組用一種叫做過渡金屬二氯化物（TMDs）的二維材料製造了一個簡單的功能晶體管，眾所周知，這種材料在納米尺度上的導電性能比矽更好。

麻省理工學院機械工程系副教授Jeehwan Kim說：”我們預計我們的技術可以使基於二維半導體的高性能下一代電子設備得到發展。我們已經解開了一個使用二維材料追趕摩爾定律的方法。”

Kim和他的同事在最近發表於《自然》雜誌的一篇論文中詳細介紹了他們的方法。這項研究的麻省理工學院合作者包括Ki Seok Kim、Doyoon Lee、Celesta Chang、Seunghwan Seo、Hyunseok Kim、Jiho Shin、Sangho Lee、Jun Min Suh和Bo-In Park，以及德克薩斯大學達拉斯分校、加州大學河濱分校、聖路易斯華盛頓大學和韓國各地機構的合作者。

通過在塗有”掩膜”的晶圓上沉積原子（左上），麻省理工學院的工程師可以將原子聚集在掩膜的各個口袋裡（中間），並鼓勵原子生長成完美的二維單晶層（右下）。資料來源：Jeehwan Kim, Ki Seok Kim, et.

晶體拼接

為了生產二維材料，研究人員通常採用手工工藝，將原子厚度的薄片從塊狀材料中小心翼翼地剝離出來，就像剝去洋蔥的一層。

但是大多數塊狀材料是多晶體的，包含多個以隨機方向生長的晶體。在一個晶體與另一個晶體相遇的地方，”晶界”就像一個電障。任何流經一個晶體的電子在遇到一個不同方向的晶體時突然停止，從而抑制了材料的導電性。即使在剝離二維薄片後，研究人員也必須在薄片上尋找”單晶”區域–這是一個繁瑣而耗時的過程，很難在工業規模上應用。

最近，研究人員發現了其他製造二維材料的方法，即在藍寶石晶片上生長二維材料–一種具有六角形原子圖案的材料，它推動二維材料以相同的單晶方向組裝。

“但在內存或邏輯行業中沒有人使用藍寶石，”Kim說。”所有的基礎設施都是基於矽的。對於半導體加工，你需要使用矽晶圓。”然而，矽晶圓缺乏藍寶石的六邊形支撐支架。當研究人員試圖在矽上生長二維材料時，其結果是晶體的隨機拼湊，胡亂地合併，形成許多阻礙導電性的晶界。

“人們認為在矽上生長單晶二維材料幾乎是不可能的，”Kim說。”現在我們表明它可以，我們的訣竅是從源頭防止形成晶界。”

“種子袋”

該團隊新的”非外延式單晶生長”不需要剝離和搜索二維材料的薄片。相反，研究人員使用傳統的氣相沉積方法，將原子抽過矽片。原子最終在晶圓上”定居”並形成晶核，直接生長為二維晶體方向。如果不加處理，每個”核”或晶體的種子將在矽片上以隨機的方向生長。但是Kim和他的同事們找到了一種方法，使每個生長中的晶體對齊，在整個矽片上形成單晶區域。

為了做到這一點，他們首先在矽片上覆蓋了一層”掩膜” – 一層二氧化矽塗層，他們將其圖案化為微小的口袋，每一個口袋都被設計用來捕獲一個晶體種子。然後，他們在被遮蔽的矽片上流淌著原子的氣體，這些原子沉澱在每個口袋裡，形成一種二維材料–在這種情況下是一種過渡金屬二氯化物。掩膜的口袋聚集了原子，並鼓勵它們以相同的單晶方向在矽片上組裝。

“這是一個非常令人震驚的結果，”Kim說，”到處都有單晶生長，即使2D材料和矽片之間沒有外延關係。”利用他們的遮蔽方法，該團隊製造了一個簡單的TMD晶體管，並顯示其電氣性能與相同材料的純片一樣好。

他們還應用該方法設計了一個多層器件。在用圖案化的掩模覆蓋矽片後，他們生長出一種二維材料來填充每個方塊的一半，然後在第一層上生長出第二種二維材料來填充其餘方塊。結果是在每個方塊內形成了超薄的單晶雙層結構，往後，多種二維材料可以通過這種方式生長並堆疊在一起，以製造超薄、靈活和多功能的薄膜。

“直到現在，還沒有辦法在矽片上以單晶形式製造二維材料，因此整個社區幾乎放棄了為下一代處理器追求二維材料，”Kim說。”現在我們已經完全解決了這個問題，有了製造小於幾納米的器件的方法。這將改變摩爾定律的範式”。