寻找新硅

1965年，一位误入歧途的美国化学家对计算机行业的未来做出了预测。戈登·摩尔(Gordon Moore)在加州理工学院(California Institute of Technology)获得了物理化学博士学位，他将注意力转向了电子领域，并创办了一家公司，生产了一些首批电子产品硅芯片。他的预测是:可以塞进计算机芯片的组件数量将每年翻一番，因为这些组件变得越来越小，产生了火箭式的计算能力。尽管摩尔后来将他的预测修正为每两年一次，但这是正确的。直到现在。英特尔可以在其芯片的每平方毫米上挤压1亿个晶体管，这些晶体管已经缩小到纳米比例，但该行业跟上众所周知的摩尔定律的能力正开始减弱。

对构建更强大计算机的追求使我们进入了量子计算领域，并为芯片架构添加了额外的维度。但与此同时，使用替代材料是否有助于延长摩尔定律?目前，材料科学家正试图帮助芯片设计师将晶体管发挥到其物理极限，方法是取代计算机芯片行业赖以生存的物质——硅。作为Eric流行美国斯坦福大学的电气工程师和材料科学家詹尼认为，那些说摩尔定律已死的人太执着于硅了。他说，他们所指的是缩小硅电路非常非常困难的事实。但如果你把硅换成(几个)原子厚的材料，至少在芯片的某些部分，你可以让这些电路小10倍。

老爹所说的在某种程度上已经发生了。现代硅芯片通常含有“少量”的其他材料，如硅锗合金、砷化镓和二氧化铪，所有这些材料都被明智地用于补充原本无处不在的硅和二氧化硅。与此同时，科学家们正致力于用原子薄的二硫化钼和黑磷晶体生产更小的晶体管。与芯片的多层设计相结合，新材料可以使计算速度和能源效率提高一千倍。¹问题是这种奇异的材料是否会被半导体行业所接受，根据Pop的说法，半导体行业的反应总是“太棒了，但我们到底要怎么把它融入到硅中去?”面对摩尔定律(Moore’s Law)的消亡，或许是时候找到一种方法了。

粘在硅上

在纳米尺度上，硅电路开始变得低效，泄漏电流和热量。那么，既然不能把硅做得更小，为什么这个行业仍然坚持使用硅呢?好吧，除了它是地球上第二丰富的元素这个事实，这只是事情一直以来的做法。这种转变将是一件麻烦而且昂贵的事情。“硅如此难以替代的原因是，像英特尔这样的公司的所有工艺都是针对硅的，”他说贾斯汀福尔摩斯他是爱尔兰科克大学(University College Cork)一个材料小组的负责人。他说，你可以想象在设备方面要花费数十亿美元，所以他们最不愿意做的就是放弃硅。

这是一个成本问题，但为什么硅本身就很好呢?新材料必须与什么相匹配?晶体管材料的关键参数之一是它的带隙——一种衡量材料导电性的指标，基于材料原子中的电子进入导电状态所需的能量。在晶体管方面，把晶体管想象成一个简单的开关，带隙决定了打开它所需的能量。如果电压太高(就像大多数绝缘体一样)，就会浪费大量的能量来打开晶体管;过低时，电子很容易跃入传导状态，导致晶体管漏电而失去电流。所以硅的一个优点就是它的平庸。在1.1 eV时，它的带隙不会太高或太低。事实上，这就是它成为半导体的原因。

他们最不想做的事情就是远离硅

单原子厚度的全碳材料石墨烯——曾经被吹捧为摩尔定律的救世主——在计算领域还没有真正取得重大进展的原因是，它实际上并不是半导体。它的带隙为零，这意味着它的电子在任何能级流动。所以它可能会制造非常快的晶体管，但你无法关闭它们。尽管正如霍姆斯解释的那样，有很多方法可以解决这个问题:“你必须有一个创可贴，这意味着你必须处理材料。例如，有些设备正在使用石墨烯带。”Ribbons of graphene thinner than 10 nm wide, it turns out, do behave more like semiconductors. However, inspired by graphene, researchers are now looking at other ultra-thin semiconductors as potential alternatives to silicon.

转向2D

这些2D材料的优势不仅在于它们减少了芯片组件的厚度，而且还允许我们在另一个方向上使晶体管更小。在晶体管中，沟道——晶体管中电流在源极和漏极之间流动的部分——决定了长度。该通道上的栅极控制电流是否流过。这就形成了开关。随着硅电路按照摩尔定律缩小，源极和漏极越来越靠近，直到它们之间只有纳米的距离，最终导致电流在它们之间泄漏，即使“开关”应该关闭。在二维材料中，这种情况可以通过电子流被限制在超薄通道内来补救，这意味着每个电子都以同样的方式受到栅极电场的影响。²

波普的团队最近在单层厚二硫化钼(MoS)中注入了大量工作₂)，是一类被称为过渡金属二卤属化合物(TMDs)的材料之一。tmd特别擅长在需要电流时保持电流，在不需要电流时停止电流，这一点可以从它们的“开关”比硅高几个数量级上得到证明。在结构方面，波普将它们描述为“面包在三明治里”硫，硒或碲填充物是重金属。”所以他的“二硫化钼”，正如他亲切地称呼它的那样，是一个三个原子厚的层，由两个硫壳之间的钼填充而成。它有约1.8 eV的带隙，尽管它的原子厚度不像石墨烯那么薄，但已经很接近了。^3.前几个/单层mo₂是20世纪60年代制造用胶带从辉钼矿上剥离单层材料，就像后来从大块石墨中剥离石墨烯一样。单层金属氧化物半导体₂最终在2011年由一个瑞士小组以晶体管的形式制造出来，⁴但处理这种材料并不容易。“致命的是材料上的缺陷，”霍姆斯说。金属氧化物半导体₂用这种方法制造的晶体管极其脆弱，难以处理。

不过现在，波普的团队已经证明了它可以长得很大，几厘米²高质量金属氧化物薄片₂在硅衬底上的晶体，使用更精确的化学气相沉积方法。⁵波普说，结果很漂亮，而且相对没有缺陷，但他敏锐地意识到业界对这一进步的感受。“他们说，‘哇，这些结果真的很好，但即使你在一个单独的芯片上生长这些，我们也不知道如何将材料从一个单独的芯片转移到硅处理器上，在它上面制造一个电路。“‘这是有道理的。处理1厘米²这种不到一纳米厚的物质，就相当于抓住一块跑道大小的保鲜膜。但它也揭示了业界目前如何看待硅的替代品——作为补充，而不是完全替代。波普希望工业界能够介入，为研究转移超薄材料或在较低温度下生长的更好方法提供资金，以便在不破坏硅电路的情况下直接在硅电路上形成。

铪热

不仅仅是硅通道可以从升级中受益。以二氧化硅绝缘体作为栅极材料为例。一旦你达到纳米尺度，它就不是那么好了，因为如果它太薄，电子很容易通过通道“隧道”穿过它。但确实如此必须非常薄，才能与最先进的晶体管极短、极薄的通道相匹配。在美国肯塔基大学，Beth Guiton的团队正试图用一种非常特殊的二氧化铪晶体形式来取代栅极材料，吉顿对此“非常兴奋”。她最兴奋的是这种材料的高带隙(即使是超薄的)和高“ĸ值”的结合，这有助于防止隧穿，正如Guiton解释的那样，高“ĸ值”可以精确控制栅极和器件开关，从而提高性能。很难找到一种同时具备这两种特性的材料。二氧化硅的ĸ值仅为3.9。普通的二氧化铪的ĸ值在18左右——这就是为什么它已经被半导体行业所采用，而且可能已经存在于你的手机中——但是让Guiton如此兴奋的奇特形式的二氧化铪的ĸ值计算为75，这就是它对晶体管非常有吸引力的原因。

根据Guiton的说法，奇异物质(四方的)和常规物质(单斜的)之间唯一的结构区别是铪和的微小位移氧气原子-没有键被破坏或形成，所以从一个相到另一个相只需要很少的能量。只有一个问题:它只有在高于熔岩(1700°C)的温度下才能稳定。通常，这种高温相可以在室温下被“冻结”，因为所需的能量太大，它们不会转化回来。但是对于四方二氧化铪，原子微小位移所需要的能量非常小，几乎不需要任何能量。“所以，如果我们打开一个含有四方二氧化铪的熔炉，将其取出并浸入液体中氮，它仍然会转变为单斜相，”Guiton解释说。“你抓不住它，也冻不住它。”It doesn’t sound like something that is going to work well in a computer chip at room temperature. Guiton’s德克萨斯农工大学的合作者然而，他们已经成功地合成了纳米棒形式的二氧化铪，正如他们今年5月的联合论文所显示的那样，这种材料在纳米尺度上的表现非常不同。⁶在扫描透射电子显微镜下，肯塔基研究小组观察到一根二氧化铪杆在仅600°C的温度下转变为人们渴望的四方相。

四方相开始生长在晶体中称为孪生边界的缺陷处，就像镜子平面一样，两侧的晶体将光散射到不同的方向。它也在表面原子上成核，这些原子在纳米棒中比在块状材料中构成更多的晶体。这不仅意味着足够小的棒在室温下会转变为四方相，而且控制二氧化铪中缺陷的数量可能是一种更普遍地控制其晶体结构的方法。“如果你能控制这些缺陷的密度，也许你可以用它来控制它在这些阶段之间转换的方式，”Guiton解释道。这只是一个想法，但随着普通的二氧化铪已经被作为绝缘体融入硅晶体管中，也许工业界会有兴趣进一步研究这种材料。

爸爸也希望如此。他也一直在研究二氧化铪，他对此感到兴奋是出于另一个原因。再次回到硅的问题上，硅之所以如此实用，原因之一是它在制造过程中只需与空气接触，就能自然形成自己的绝缘体——二氧化硅。其他有用的半导体不会这样做，或者它们形成的氧化物不是很好的绝缘体，这意味着必须应用单独的绝缘层。但波普的团队认为他们有机会找到另一种表现得更像硅的材料。

波普说:“硅氧化成二氧化硅恰好是一种很好的绝缘体，这是一种难以置信的好运气。”“所以我们基本上是在寻找可以氧化成非常非常好的绝缘体的2D材料，这种材料已经被业界所熟知和赞赏。”“他们发明了硒化铪(和硒化锆)，它们氧化生成二氧化铪——尽管只是普通的东西。”⁷今年早些时候，他们用这些材料制造了第一批晶体管，尽管Pop承认他们不得不使用“原始的”胶带方法来获得2D层，但他们使用硫化钼的工作表明，更好的工艺出现只是时间问题。

所有这些都告诉我们，在某些方面，确实存在比硅更好的材料。我们正逐步看到，长期主导半导体行业的材料正在被取代。问题是，这些新材料的开发速度是否足以跟上摩尔定律的步伐。根据Holmes的说法，半导体行业已经接受了摩尔定律将“戛然而止”的事实。然而，他认为量子计算和芯片架构的进步，以及新材料，即使达到晶体管尺寸的物理极限，也将产生更强大的计算机芯片。Pop也认为，处理能力的一些真正大的提升将来自于新的芯片架构。也许像二硫化钼和二氧化铪这样的材料可以做出较小但重要的贡献。当谈到摩尔定律时，老爹总是乐观的。“摩尔定律没有死!”他惊叫道。“别听别人这么说!””

海莉·贝内特是英国布里斯托尔的科学作家