美国纽约大学：二维半导体器件制造工艺取得重要突破！

背景

目前，以硅为代表的传统半导体材料正在面临严峻挑战。通过原理创新、结构改善、工艺进步，科研人员很难再大幅度提升硅基半导体器件的总体性能。“后摩尔时代”已经悄然到来。作为有望取代硅基半导体材料的新一代半导材料，近年来二维半导体的研究进展迅猛。

石墨烯凭借机械强度高、导电导热性好、轻薄、柔性、透明等优势，一度被誉为“新材料之王”，也让二维材料成为了备受瞩目的热点。遗憾的是，石墨烯中独特的碳原子排列，虽然有利于电子轻松地高速流动，但也使之不适合作为半导体。石墨烯没有带隙，无法选择”打开“或者”关闭“电流，而这种二进制开关机制正是现代电子器件的基础。

不过除了石墨烯之外，越来越多的二维材料被人类发现并研究，其中也不乏可以作为半导体的二维材料，例如过渡金属硫族化合物、黑磷等。科学家们已经通过这些二维材料创造出诸多半导体器件，例如：

然而，在二硫化钼（MoS2）为代表的二维半导体器件的制造工艺中，采用电子束光刻技术，将金属电极纳米刻画到这种原子级二维材料的层上，目前会产生一些问题，导致“非欧姆接触”与“肖特基势垒”。

创新

近日，美国纽约大学工学院化学与生物分子工程系教授 Elisa Riedo 领导的团队，报告了原子级薄度处理器制造工艺中的一项重要突破。这一发现不仅将对纳米芯片制造工艺产生深远影响，而且也将鼓舞全世界各个实验室中 探索 将二维材料应用于更小更快的半导体的科学家们。

团队将他们的科研成果发表在最近一期的《自然电子学（Nature Electronics）》期刊上。

技术

他们演示的这种刻蚀技术，采用了加热至100摄氏度以上的探针，超越了在二硫化钼等二维半导体上制造金属电极的普遍方法。科学家们相信，这种过渡金属属于有望替代硅应用于原子级微型芯片的材料。团队开发的新制造方法，称为“热扫描探针刻蚀技术（t-SPL）”，相比于目前的电子束光刻技术（EBL）具有一系列优势。

价值

首先，热刻蚀技术显著提升了二维晶体管的质量，抵消了肖特基势垒。肖特基势垒阻碍了二维衬底与金属交界处的电子流动。其次，不同于EBL，热刻蚀技术使芯片制造者可轻松获取二维半导体图像，然后在期望的位置刻画电极。再次， t-SPL 制造系统有望显著减少初始投入以及运营成本：它们通过在一般环境条件下的运作大幅降低功耗，无需生成高能电子以及超高真空。最后，这种热加工方法很容易通过采用“并行”的热探针来扩展，从而应用于工业生产。

Riedo 表示，她希望 t-SPL 将许多加工过程带出稀缺的净室，带入个人实验室。在净室中，研究人员们必须为这些昂贵的设备争取时间；而在个人实验室中，他们将迅速地推进材料科研与芯片设计。3D打印机这个先例，就是一个很好的类比。有朝一日，这些低于10纳米分辨率的 t-SPL 工具，在普通环境条件下，依靠标准的120伏电源运行，将遍及像她的实验室一样的各个研究实验室。

参考资料

【1】https://engineering.nyu.edu/news/breakthrough-reported-fabricating-nanochips

【2】https://www.nature.com/articles/ncomms8702

【3】Xiaorui Zheng, Annalisa Calò, Edoardo Albisetti, Xiangyu Liu, Abdullah Sanad M. Alharbi, Ghidewon Arefe, Xiaochi Liu, Martin Spieser, Won Jong Yoo, Takashi Taniguchi, Kenji Watanabe, Carmela Aruta, Alberto Ciarrocchi, Andras Kis, Brian S. Lee, Michal Lipson, James Hone, Davood Shahrjerdi, Elisa Riedo. Patterning metal contacts on monolayer MoS2 with vanishing Schottky barriers using thermal nanolithography . Nature Electronics, 20192 (1): 17 DOI: 10.1038/s41928-018-0191-0

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硅谷（Silicon Valley）。位于加利福尼亚以北，旧金山湾区南部的圣塔克拉拉谷地；一般包涵圣塔克拉拉和位於东湾的佛瑞蒙市。最早是研究和生产芯片的地方，后来这个名词引申为所有高技术企业聚集的地方。现在是当今美国乃至全世界的资讯科技产业的龙头。此外该地也有一些文化设施，如创新科技博物馆。

硅谷的由来

硅谷这个词最早是由Don Hoefler在1971年创造的。它从1971年的1月11日开始被用于《每周商业》报纸电子新闻的一系列文章的题目-美国硅谷。之所以名字当中有一个“硅”字，是因为当地的企业多数是与由高纯度的硅生产的半导体及电脑相关的。而谷则是从圣塔克拉拉谷中得到的而后来东湾两岸地区的加入也使硅谷迅速的发展起来。

在开始的十几年时间，由于记者的拼写错误它都被误称为“硅胶谷”，硅谷在当时还没有融入到美国文化当中。硅胶，一种广泛用于隆胸和堵露等等作用的物质。

历史

当地一直是美国海军一个工作站点，并且海军的飞行研究基地也设于此，后来一定数量的科技公司的商店围绕着海军的研究基地而建立。但当海军把它大部分位于西海岸的工程转移到圣迭戈时，NASA接手了海军原来的研究工程，不过大部分的公司却留下来，当新的公司搬来之后，这个区域逐渐被航空航天企业所占据。

但是此地却还没有民用的高科技企业，虽然这里有很多很好的大学，但是当学生们毕业之后，他们却到东海岸去寻找工作机会。斯坦福大学教授Frederick Terman对此很是讨厌，他在学校里选择了一块很大的没有用处的空地用于不动产的发展，并设立了一些项目来鼓励学生们在附近发展他们的“风险投资”。众多成功故事当中的一个就是他说服William Hewlett和 David Packard留在当地发展，后来他们两个人在1939年成立了惠普公司(Hewlett-Packard)—一个跟NASA及美国海军没有任何关系的高科技公司。

在1951年，这个项目又被扩展以建立斯坦福研究公园，一些很小的工业建筑以很低的租金租给一些小的科技公司，今天这些公司是重要的技术诞生地，但是在当时却并不为人所知。1954年，Honors Cooperative Program(荣誉合作节目)，犹如今日所熟知的CO-op。允许公司的全日制雇员以兼职的形式从大学获得硕士学位。最初的那些公司会为每个员工付双倍的学费来供给他们的费用。Terman在1950年代决定新的基础设施则因以“谷”为原则而建造。

正是在这种氛围下，一个著名的加利福尼亚人搬到了这里。William Shockley在1953年由于对晶体管的分歧而离开了贝尔实验室。和妻子离婚之后孤身一人回到他获得科学学士学位的加利福尼亚理工学院，但在1956年他又搬到离他老母亲很近的加利福尼亚山景城（Mountain View）去建立属于Beckman半导体一部分的Shockley半导体实验室。

在那他打算以三元素设计一种能够替代晶体管的元器件（现在熟知的Shockley二极管）来占领市场。但在考虑设计得比“简单的”晶体管还要简单的这个问题时他却难住了。被困难难住的Shockley愈发变得偏执，他要求对职员进行测谎，并公布他们的薪金，这些事情惹恼了大家。后来他的种种行径使得八位他带到美国西海岸的工程师离开他并建立了Fairchild半导体公司。

后来的几年，这种事情又不断的上演，脱离控制的工程师不断的建立新的公司。AMD、intel、Singetics、Nantional Semiconductor都是作为Fairchild的旁枝而开始的，或者被别的公司当作旁枝的旁枝。

在1970年代的早期,硅谷有很多的半导体公司,电脑企业就利用它们生产的设备，而编程和电脑服务公司为它们两个服务。那里的工业厂房都是很低廉的。但当Kleiner Perkins开始的风险投资在1972年诞生之后,苹果电脑公司在后来成功的获得了1.3亿的资金。

著名的公司

上千所高科技公司的总部都设在硅谷；而一下的这些只是福布斯排名前500名之中的。

Adobe

AMD

Agilent

Altera

苹果电脑

Applied Materials

BEA

Cadence Design Systems

Cisco Systems

DreamWorks

eBay

Electronic Arts

Google

惠普

英特尔

Intuit

Juniper Networks

Maxtor

National Semiconductor

Network Appliance

NVIDIA

Oracle

Sun Microsystems

Symantec

Synopsys

Varian Medical Systems

雅虎!

另外某些著名公司的总部也设在了硅谷（包括某些已经停产的和被兼并的）

Adaptec

Atmel

Cypress Semiconductor

Foundry Networks

McAfee

Knight-Ridder

网景 (AOL)

NeXT 电脑公司 (now Apple)

Palm

PalmSource

PayPal (现为eBay的一部分)

Rambus

Silicon Graphics

TiVo

VA Software (Slashdot)

VeriSign

Veritas Software (Symantec)

VMWare (EMC)

著名的大学

卡内基梅隆大学(西海岸校区)

圣荷西州立大学

圣塔克来拉大学

斯坦福大学

以下大学不位于硅谷, 而是是有助的作为研究和新毕业生的来源:

加利福尼亚州立大学, 东湾分校

戴维斯加利福尼亚大学

柏克莱加州大学

圣克鲁斯加利福尼亚大学

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