北京大学科研团队首创出全新的晶体制备方法

近日，北京大学刘开辉教授科研团队在国际上首创出一种全新的晶体制备方法。这种方法被形象地称为“顶竹笋”式生长，可保证每层晶体结构的快速生长和均一排布，极大提高了晶体结构的可控性。

这种“长材料”的新方法有望提升芯片的集成度和算力，为新一代电子和光子集成电路提供新的材料。这一突破性成果于7月5日在线发表于《科学》杂志。

图1.发展“晶格传质-界面外延”生长新范式，制备晶圆级3R-TMDs单晶（图源：北京大学）

北京大学物理学院凝聚态物理与材料物理研究所所长刘开辉教授介绍，传统晶体制备方法的局限性在于，原子的种类、排布方式等需严格筛选才能堆积结合，形成晶体。随着原子数目不断增加，原子排列逐渐不受控，杂质及缺陷累积，影响晶体的纯度质量。为此，急需开发新的制备方法，以更精确控制原子排列，更精细调控晶体生长过程。因此，该科研团队在晶体制备方法上采用了“晶格传质-界面生长”技术，首次实现了层数及堆垛结构可控的菱方相二维叠层单晶的通用制备。

整体来看，“顶竹笋”式生长晶体制备方法与传统晶体生长方法相比有以下几个显著优势：

一是快速生长和均一排布：该方法可以让材料如“顶着上方结构往上走”的“顶竹笋”一般生长，确保每层晶体结构的快速生长和均一排布，极大提高了晶体结构的可控性。

二是提高芯片集成度：利用此新方法制备的二维晶体（如硫化钼、硒化钼、硫化钨等）单层厚度仅为0.7纳米，而目前使用的硅材料多为5到10纳米。这些高质量的二维晶体用作集成电路中晶体管的材料时，可以显著提高芯片的集成度。

三是适用于多种关键领域：晶体是计算机、通讯、航空、激光技术等领域的关键材料。传统的制备大尺寸晶体的方法通常是在晶体小颗粒表面“自下而上”层层堆砌原子，而“顶竹笋”式方法则提供了一种新的解决方案，能够更好地满足这些领域对高性能晶体的需求。

刘开辉表示，“将这些二维晶体用作集成电路中晶体管的材料时，可显著提高芯片集成度。在指甲盖大小的芯片上，晶体管密度可得到大幅提升，从而实现更强大的计算能力。”此外，这类晶体还可用于红外波段变频控制，有望推动超薄光学芯片的应用。

去年北大还研制出了速度超越硅极限的二维晶体管。芯片为大数据和人工智能的发展提供源源不断的动力，芯片速度的提升得益于晶体管的微缩，然而当前传统硅基场效应晶体管的性能逐渐接近其本征物理极限。国际半导体器件与系统路线图（The International Roadmap for Devices and Systems, IRDS）预测硅基晶体管的极限栅长将停止在12 nm，工作电压不能小于0.6 V，这定义了未来硅基芯片缩放过程结束时的最终集成度和功耗，因此亟需发展新型沟道材料来延续摩尔定律。

原子级厚度的二维半导体因其超薄体和高迁移率的优势，是极具潜力的芯片沟道材料，全球多家领先半导体制造公司与研究机构均对其投入大量研究。但2D半导体和高k介质之间的低质量界面，2D半导体-金属界面上具有相当大肖特基势垒的源极和漏极接触，以及2D半导体固有的缺点限制了其发展。迄今为止所有二维晶体管所实现的性能均不能媲美业界先进硅基晶体管，其实验结果远落后于理论预测，不足以展示二维半导体的最终潜力。

有鉴于此，北京大学电子学院彭练矛教授-邱晨光研究员课题组等人报道了一种以2D硒化铟(InSe)为沟道材料的高热速场效应晶体管，在0.5 V下工作，实现了6 mS μm⁻¹的高跨导和饱和区83%的室温弹道比，超过了任何已报道的硅基场效应晶体管。作者提出了一种掺杂钇诱导的相变方法来实现铟硒场效应晶体管的欧姆接触，同时将硒化铟场效应晶体管的沟道长度缩小到10 nm。该InSe FETs可以有效抑制短通道效应，其低亚阈值摆动(SS)为75 毫伏量程，漏极诱导的势垒降低(DIBL)为22 mV V⁻¹。此外，在10 nm弹道InSe FETs中可靠地提取了62 Ω μm的低接触电阻，导致了更小的内在延迟和更低的能量延迟积(EDP)，远低于预测的硅极限，将n型二维半导体晶体管的性能首次推近理论极限。