正在成长的高性能2D半导体晶圆，集成了最先进的芯片

当今的半导体行业正在努力应对三重任务：提高计算能力、减小芯片尺寸和管理密集电路中的功耗。

为了满足这些需求，业界必须超越硅，生产适合日益增长的计算机设备。

虽然不太可能在近期或遥远的将来放弃主力材料，但技术部门将需要对芯片材料和架构进行创造性的改进，以生产适合日益增长的计算作用的设备。

硅最大的缺点之一是它只能做得很薄，因为它的材料特性基本上局限于三维空间。由于这个原因，薄到几乎没有高度的二维半导体成为科学家、工程师和微电子制造商感兴趣的对象。

更薄的芯片组件将对设备中的电流提供更好的控制和精度，同时降低供电所需的能量。2D半导体也有助于将芯片的表面积保持在最小，它位于支撑硅器件的薄膜上。

但直到最近，制造这种材料的尝试都没有成功。

某些2D半导体本身表现良好，但需要如此高的温度来沉积，它们破坏了底层的硅芯片。其他的可以在硅兼容的温度下沉积，但它们的电子特性——能量使用、速度和精度——都缺乏。有些符合温度和性能要求，但在工业标准尺寸下无法达到必要的纯度。

现在，宾夕法尼亚大学工程与应用科学学院的研究人员已经将一种高性能的二维半导体制成了全尺寸、工业规模的晶圆。此外，半导体材料硒化铟(InSe)可以在足够低的温度下沉积，从而与硅芯片集成。

Deep Jariwala是电子与系统工程系(ESE)的副教授，Peter和Susanne Armstrong杰出学者，Seunguk Song是ESE的博士后，他们领导了这项研究，最近发表在《物质》杂志上。

“半导体制造是一个工业规模的制造过程，”Jariwala说。“除非你能在工业规模的晶圆上生产，否则你不会有一种可行的材料。批量生产的芯片越多，价格就越低。但材料也必须是纯净的，以确保性能。这就是硅如此普遍的原因——你可以在不牺牲纯度的情况下大量生产它。”

长期以来，铟硒一直被认为是先进计算芯片的二维材料，因为它的电荷携带能力非常好。但是，生产足够大的铟硒薄膜已经被证明是棘手的，因为铟和硒的化学性质倾向于以几种不同的分子比例结合，呈现出每种元素不同比例的化学结构，从而损害了其纯度。

该团队的成功取决于Song应用了一种生长技术，克服了InSe原子结构的怪僻。

“对于先进的计算技术而言，二维铟硒的化学结构需要恰好是两种元素之间的50:50。所得到的材料需要在大面积上具有均匀的化学结构才能起作用。”

该团队使用一种称为“垂直金属有机化学气相沉积”(MOCVD)的生长技术实现了这种突破性的纯度。以前的研究试图同时等量地引入铟和硒。然而，Song证明，这种方法是材料中不良化学结构的来源，产生不同比例的每种元素的分子。相比之下，MOCVD的工作原理是在连续流中发送铟，同时以脉冲方式引入硒。

“通过脉冲，铟和硒有时间结合。在脉冲之间的时刻，你剥夺了环境中的硒，这可以防止比率过高。脉冲的好处是暂停。这就是我们如何在整个全尺寸晶圆上获得统一的50:50比例。”

除了化学纯度外，该团队还能够控制和调整材料中晶体的方向，通过为电子传输提供无缝的环境，进一步提高半导体的质量。

“半导体材料的两个最重要的品质是化学纯度和晶体秩序。最重要的工业品质是可扩展性。这种材料符合所有条件，”Jariwala说。