對于后硅時代的選擇，工程師一直致力于把原子厚的二維材料制成晶體管的研究。最著名的是石墨烯，但專家認為，二維半導體（例如二硫化鉬和二硫化鎢）可能更適合此工作。因為石墨烯缺乏帶隙，這種禁帶使材料成為半導體。

　　現(xiàn)在，通過將石墨烯和MoS 2結(jié)合在一起，研究人員已經(jīng)制造出一種晶體管，該晶體管的工作電壓為常規(guī)電壓的一半，并且電流密度高于以前開發(fā)中的任何最新2D晶體管。這將大大降低基于這些2D器件的集成電路的功耗。

　　“我們能夠充分挖掘2D材料的潛力，從而制造出一種在能耗和開關速度方面表現(xiàn)出更好性能的晶體管，”布法羅大學電氣工程學教授李華敏在IEDM 2020上說。

　　有趣的是，該設備利用了石墨烯缺乏帶隙的優(yōu)勢。在晶體管中，柵電極上的電壓將電荷載流子注入到溝道區(qū)中，從而在源電極和漏電極之間形成導電路徑。常規(guī)的硅晶體管和2D MoS 2晶體管利用了從源發(fā)出高能“熱”電子的優(yōu)勢。對于漏極電流每增加十倍（60 mV /十倍：60 mV/decade），這就設置了60毫伏的基本極限。

　　李說，沒有帶隙的石墨烯是“冷”電子源。這意味著需要更少的能量將電子跨過溝道區(qū)域發(fā)送到漏電極。結(jié)果：可以更快地接通和斷開設備電流。

　　李說：“使用這種獨特的機制，我們能夠突破切換的基本極限?！?該小組的1納米厚晶體管僅需29 mV即可實現(xiàn)器件電流10倍的變化?！拔覀兪褂幂^少的電壓來切換器件并控制更多的電流，因此我們的晶體管具有更高的能源效率?！?/p>

　　研究人員通過在單層MoS 2上堆疊單層石墨烯來制造這種設備。此堆疊區(qū)域用作晶體管通道，研究人員將柵電極沉積在頂部。石墨烯單層充當源極，而二硫化鉬層充當漏極。

　　而據(jù)山東大學的研究人員說，其他冷源材料，例如2D金屬和electron-rich，n摻雜的半導體，也可以用于突破60 mV /十年（60 mV/decade）的極限。通過仿真和建模，他們表明，n摻雜石墨烯可以將電壓降至24 mV。即使簡單地使用n摻雜的硅， 也可以將其降至33 mV。

　　李說，他和他的同事選擇MoS 2作為他們的概念驗證設備，因為這是研究人員了解并研究了很長時間的2D半導體。臺積電的研究人員也在IEDM上發(fā)表了有關MoS 2晶體管的最新發(fā)現(xiàn) 。

　　這些小組和其他小組不限于此2D材料。他們還使用二硫化鎢（WS 2）和黑磷等材料。Buffalo的Li說：“如果其他材料在我們的設備技術中能更好地工作，我們將進行探索?！?/p>

　　位于比利時魯汶的Imec將賭注押在WS 2上，該公司的研究人員認為WS 2應該能生產(chǎn)出性能最高的設備。兩年前，imec計劃總監(jiān)Iuliana Radu和她的團隊開發(fā)了一種在300毫米硅晶圓上放置高質(zhì)量WS 2 單層的技術。他們現(xiàn)在報告說，他們可以在晶圓級制造WS 2晶體管。他們說：“這項工作為工業(yè)上采用2D材料鋪平了道路。”

　　硅的繼任者：碳納米管有了新進展

　　得益于研究人員的持續(xù)推進，碳納米管器件現(xiàn)在正在越來越接近硅的能力，最新的進展也在最近舉辦的IEEE電子器件會議IEDM上揭曉。會上，來自TSMC，加州大學圣地亞哥分校和斯坦福大學的工程師介紹了一種新的制造工藝，該工藝可以更好地控制碳納米管晶體管。這種控制對于確保在邏輯電路中充當晶體管的晶體管完全關閉時至關重要。

　　近年來，人們對碳納米管晶體管的興趣有所增加，因為它們有可能比硅晶體管更進一步縮小尺寸，并提供一種生產(chǎn)電路堆疊層的方法比在硅中做起來容易得多。

　　該團隊發(fā)明了一種生產(chǎn)更好的柵極電介質(zhì)（gate dielectric）的工藝。那是柵電極和晶體管溝道區(qū)之間的絕緣層。在操作中，柵極處的電壓會在溝道區(qū)中建立電場，從而切斷電流。然而，隨著幾十年來硅晶體管的規(guī)?？s小，由二氧化硅制成的絕緣層必須越來越薄，以便使用較少的電壓來控制電流，從而降低了能耗。最終，絕緣屏障非常薄，以至于電荷實際上可以通過它隧穿，從而帶來電流泄漏并浪費能量。

　　大約十多年前，硅半導體工業(yè)通過切換到新的介電材料二氧化鉿（hafnium dioxide）解決了這個問題。與先前使用的二氧化硅相比，該材料具有較高的介電常數(shù)（high-k），這意味著相對較厚的高k介電層在電氣上等效于非常薄的氧化硅層。

　　碳納米管晶體管還使用HfO 2柵極電介質(zhì)。碳納米管的問題在于，它們不允許在控制按比例縮小的設備所需的薄層中形成電介質(zhì)。

　　沉積high-k電介質(zhì)的方法稱為原子層沉積。顧名思義，它一次可建造一個原子層的材料。但是，它需要一個開始的地方。在硅中，這是在表面自然形成的原子的原子薄層。

　　碳納米管不提供這種立足點來開始沉積。它們不會自然形成氧化物層，畢竟二氧化碳和一氧化碳都是氣體。納米管中任何會導致所需“懸掛鍵”（dangling bonds）的缺陷都會限制其傳導電流的能力。

　　到目前為止，在碳納米管上生長一層薄薄的high-k電介質(zhì)二氧化鉿是不可能的。斯坦福大學和臺積電的研究人員通過在它們之間添加中間k介電層解決了這一問題。

　　“形成high-k電介質(zhì)一直是一個大問題?！?領導這項工作的臺積電（TSMC）首席科學家，斯坦福大學教授Philip Wong（黃漢森）說。“因此您必須將比納米管更厚的氧化物傾倒在納米管的頂部，而不是在縮小的晶體管中”，黃漢森建議?！耙私鉃槭裁催@是一個問題，可以想象一下柵極電壓的作用，就是試圖用腳踩踏來阻止水流過花園軟管。如果在腳和軟管之間放一堆枕頭（類似于厚的門氧化物），則枕頭會變得更難”，黃漢森進一步指出。

　　臺積電的Matthias Passlack和UCSD的Andrew Kummel教授提出了一種解決方案，將HfO2的原子層沉積與沉積中間介電常數(shù)材料氧化鋁的新方法結(jié)合在一起。Al2O3是使用UCSD發(fā)明的納米霧工藝沉積的。像水蒸氣凝結(jié)形成霧一樣，Al2O3凝結(jié)成簇，覆蓋納米管表面。然后可以使用該界面電介質(zhì)作為立足點開始HfO2的原子層沉積。

　　這兩種電介質(zhì)的綜合電學特性使該團隊能夠構建一種器件，該器件的柵極電介質(zhì)在寬度僅為15納米的柵極下的厚度小于4納米。最終的器件具有與硅CMOS器件相似的開/關電流比特性，并且仿真表明，即使具有較小柵極電介質(zhì)的較小器件也能正常工作。

　　但是，在碳納米管器件能夠匹配硅晶體管之前，還有很多工作要做。其中一些問題已單獨解決，但尚未合并到單個設備中。例如，黃漢神團隊設備中的單個納米管限制了晶體管可以驅(qū)動的電流量。他表示，要使多個相同的納米管完美對齊一直是一個挑戰(zhàn)。北京大學彭練矛實驗室的研究人員最近成功地使每微米排列250個碳納米管，這表明解決方案可能很快就會出現(xiàn)。

　　另一個問題是設備的金屬電極和碳納米管之間的電阻，特別是當這些觸點的尺寸縮小到接近當今先進硅芯片所使用的尺寸時。去年，黃漢森的一名學生Greg Pitner（現(xiàn)為臺積電研究人員和IEDM研究的主要作者）報告了一種方法，可以將一種接觸類型（p型）的電阻提高到兩倍以下接觸的理論極限僅為10納米。但是，與碳納米管的n型接觸尚未達到相似的性能水平，而CMOS邏輯則需要兩種類型。

　　最后，需要摻雜碳納米管以增加柵極兩側(cè)的載流子數(shù)量。通過用其他元素替換晶格中的一些原子，可以在硅中完成這種摻雜。這在碳納米管中是行不通的，因為它將破壞結(jié)構的電子能力。相反，碳納米管晶體管使用的是靜電摻雜。在此，有意操縱介電層的成分以將電子捐贈給納米管或?qū)⑵涑槌?。黃漢森表示，他的學生Rebecca Park在該層中使用氧化鉬取得了良好的效果。

　　他說：“我們感到非常興奮，因為我們正在一步一步地將所有這些難題都擊倒?！?“下一步就是將它們放在一起……如果我們可以將所有這些結(jié)合起來，我們將擊敗硅?！?/p>