张同在北京

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发布时间：2023 年 8 月 28 日下午 2:00

他的团队与中国人民大学刘灿教授和中国科学院张光宇教授合作，在北京制定了制造策略，并在东莞松山湖材料实验室进行了验证。他们于 7 月 30 日在同行评审期刊《科学通报》上发表了一篇研究结果论文。

尽管硅非常适合半导体加工，但随着器件尺寸不断减小，当前的硅芯片遇到了困难。

“当硅晶体管变得更薄时，它们对电压的控制就会变得更差。即使设备不工作，电流也会存在。这会带来额外的能源成本和热量产生，”刘说。

二维材料由具有一层至多层原子的晶体固体组成。由于其天然的原子级厚度，晶圆具有独特的物理特性，可以解决这个问题。并且可能在许多高性能电子设备中得到应用。

“由单层 MoS2（一种典型的二维材料）制成的晶体管，厚度约为一纳米，其性能比用相同厚度的硅制成的晶体管好很多倍，”刘说。

这导致焦点转向二维材料。

在每一层中，二维材料可以单独存在，允许它们逐层堆叠，例如石墨烯或过渡金属二硫属化物（TMD），包括二硫化钼、二硫化钨、二硒化钼和二硒化钨。

然而，制造具有高均匀性和器件性能的2D材料晶圆一直是全世界科学家面临的挑战。

与传统半导体一样，2D 技术工业化的挑战首先在于晶圆制造。

传统上，晶圆通常使用一种称为点到面的方法在熔炉中生长，其中需求源通过上方的喷嘴以粉末形式提供。当晶圆很小时，这种方法效果很好。但随着尺寸的增大，炉内源的扩散变得不均匀，导致晶圆质量下降。

该论文的第一作者、博士生薛国栋说：“我们开发了一种新方法，利用面对面的供给方法来确保均匀生长。” “在制造MoS2晶片时，硫族化物晶体板（ZnS）与溶液分散的熔盐（Na2MoO4）配合用作元素源，”他说。

刘补充道，新方法意味着晶圆尺寸不再受到限制。

“该策略确保了炉内原料的均匀和充足供应，并解决了之前晶圆尺寸的限制。我们也可以做更大的，但12英寸是最常用的尺寸，”刘说。

一旦尺寸问题得到解决，团队就必须制定批量生产策略。所提出的增长系统被模块化，然后打包成一根柱子，就像建造一座摩天大楼一样。由于地板之间的间隙充满了需求源，因此晶圆生长非常均匀。

这种堆叠方法意味着可以同时生长多层2D材料，从而实现无与伦比的效率和低廉的生产成本。

“我们松山湖材料实验室的工程团队根据这种方法设计了设备。现在我们的设备每台机器每年可以生产 10,000 片 2D 晶圆。”刘说。

虽然晶圆已经成功制造，但将它们转变为可用的芯片仍然需要复杂的设计和雕刻，例如光刻和沉积。不过，刘对未来充满信心。

“正如半导体行业的历史所表明的那样，迭代是关键，一些障碍可能会通过工业改进来克服，”他说。

“在国家自然科学基金委员会的支持下，中国高度重视相关技术的研发。业界相信这种新材料将在未来发挥至关重要的作用，但其采用的时机取决于硅的局限性何时成为一个重大痛点。”

https://www.scmp.com/news/china/science/article/3232116/revolutionising-semiconductor-industry-chinese-scientists-unveil-12-inch-wafer-groundbreaking-2d