硅，靠邊站！二硒化鉿和二硒化鋯是晶元界的未來！

硅無法將我們的計算能力提升到我們想要的那種程度，但研究人員認為其他半導體材料可以讓我們如願以償。

圖片來源：File Photo

研究人員並沒有將半導體的未來寄托在硅上，而是寄托在新材料上，這種新材料可用來製造尺寸只有目前電路十分之一的晶體管。

上周，斯坦福大學的電氣工程學副教授埃里克·波普（Eric Pop）和博士後研究人員邁克爾·姆萊茨科（Michal Mleczko）發表了一項新的研究，他們研究了有望能夠支持厚度只有幾個原子的計算機晶元的半導體材料的應用前景。

研究成果發表在了學術期刊《科學進展》（Science Advances，http://www.doi.org/10.1126/sciadv.1700481）上，這兩名工程師介紹了兩種半導體：二硒化鉿和二硒化鋯如何同樣擁有讓硅成為如今半導體的特質，或者擁有更勝一籌的特質。

比如說，這三種材料都會「生鏽」。你可能認為生鏽通常不是希望金屬和材料擁有的一種特性，但在這裡，「生鏽」卻可以起到隔離和保護電路的功效――生產過程中讓硅暴露在氧氣下可以促進生鏽。

這兩種新的半導體材料具有同樣的特性，因而不需要添加額外的絕緣體，絕緣體會增加生產計算機部件的成本和時間。然而，二硒化鉿和二硒化鋯是「高介電」（high-K）絕緣體，它們只需要比硅絕緣體或二氧化硅絕緣體更低的電能即可正常工作。

波普和姆萊茨科表示，這些材料的性能比硅還要更勝一籌，因為它們還可以縮小，做成只有三個原子那麼薄的實用電路。只可惜對於硅來說，5納米通常是極限，再薄就會引起破損或泄露，而這些新材料經過改動，可以做成只有0.5 納米那麼薄。

波普說：「工程師們一直無法讓硅晶體管的厚度薄於大約5納米；一旦厚度更薄，材料特性會開始出現不好的變化。」

雖然其他半導體材料在這些類別方面也勝過硅，但是問題常常在於開啟晶體管所需要的能源即所謂的「能帶隙」（band gap）會引起材料電路泄露，變得不可靠，或者完全破損。然而，二硒化鉿和二硒化鋯被認為「正好」，它可以在被認為確保晶元節能可靠的最佳範圍下，以與硅同樣的方式運行。

黑白帶顯示了一層層交替堆疊的二硒化鉿（一種超薄的半導體材料）和二氧化鋯絕緣體。圖片來源：邁克爾·姆萊茨科

雖然仍處於試驗階段，但研究人員表示，兩種新材料有望成為未來更薄、更節能的晶元的基底。

波普說：「硅不會消失。但是對消費者來說，如果這些半導體與硅集成起來，這可能意味著電池壽命長得多，功能複雜得多。」

研究人員警告，在我們期望超薄型半導體成為新計算機系統的必要部件之前，還有漫長的一段路。姆萊茨科和波普的下一個任務就是完善和改善二硒化物電路上晶體管之間的電觸點，電路變得越薄，這個工藝的難度就會變得越大。

處理原子級別的電路時，預計這不會是很快完工的項目。

此外，科研團隊必須了解如何更有效地控制氧化的絕緣體，以便儘可能又薄又穩定。

一旦這項研究完成，隨後部件可以集成起來，然後運用於實用的圓晶、複雜的電路，之後運用於完全可以使用的系統。

波普說：「有更多的研究工作要做，但是通向更薄、更小的電路和更節能的電子元件的一條新道路已出現在眼前。」

這項研究得到了美國空軍科學研究辦公室（AFOSR）、國家科學基金會、斯坦福大學新材料和新工藝項目（INMP）、美國能源部基礎能源科學辦公室、材料科學部以及NSERC PGS-DEG助學金的支持。

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