下一代半导体晶片的材料革命：过渡金属二硫属化物（TMD） - HonWay Materials

随着传统矽晶片制程接近极限，科学家们正积极寻找新材料来延续摩尔定律的发展趋势。

其中，过渡金属二硫属化物（Transition Metal Dichalcogenides，TMD）成为备受瞩目的候选材料。

美国能源部（DOE）普林斯顿等离子体物理实验室（PPPL）研究团队近期发表的一项研究，深入探讨了 TMD 的原子结构与内部缺陷对其电气性能的影响，为开发新一代高效能晶片奠定基础。

从矽晶片到 TMD：半导体技术的演进

传统矽晶片已支撑计算科技超过半个世纪，然而，当前商业晶片的最小特征尺寸已缩小至 3 奈米，接近物理极限。随着对更高效能计算的需求不断增长，科学家开始转向二维材料，希望突破现有技术限制。

TMD 作为一种二维材料，仅由几层原子组成，厚度可以只有三个原子那么薄。 (可以把它想像成一个小小的金属三明治。)

TMD展现出与传统矽材料不同的物理、化学与电子特性。与最知名的二维材料石墨烯相比，TMD 由过渡金属（如钼 Mo、钨 W等元素周期表第 3 族到第 12 族的金属）与硫族元素（如硫 S、硒 Se、碲 Te）构成，其特殊的层状结构使其具有优异的电子与光学特性，成为半导体领域的热门研究对象。

MD 的晶体结构并非完美无缺，其中的缺陷可能影响甚至增强其电子性能。例如，原子晶格中可能缺少一个原子，或在非预期位置出现额外原子。这些缺陷虽然可能影响材料的导电性，但某些特定缺陷反而能提升 TMD 的半导体特性。

PPPL 物理学家 Shoaib Khalid 团队的研究发现，块状 TMD 内部经常存在额外电子，而这些电子可能是由氢气引起的。

研究团队透过计算不同缺陷类型的形成能量，确定哪些缺陷最可能发生，并分析这些缺陷如何影响材料的电荷传输特性。

结果显示，氢相关的缺陷可能导致 TMD 呈现 n 型（带负电荷）的半导体性质，而硫族元素空位则可能改变材料的光学与电子特性。

研究人员建议，可透过「光致发光」技术分析 TMD 内部的缺陷，以测量材料发射的光频率来推测原子结构的变化。

这项研究为未来的 TMD 应用提供了实验指导，特别是在开发新一代计算机晶片方面，帮助工程师设计符合应用需求的 TMD 半导体。

随着技术进步，专家预测 TMD 晶片最早可能在 2030 年实际应用于电子设备，成为矽晶片的有力替代方案。透过深入研究材料结构与缺陷影响，科学家将能进一步优化 TMD 的性能，推动半导体技术向前迈进。

文献参考

Beyond Silicon: How Atom-Thin Materials Are Revolutionizing Chips
以 TMD 材料取代矽，推进下一代更小、更有效率半导体晶片
“硫族元素空位和氢在块体过渡金属二硫族化物光学和电学特性中的作用”，作者：Shoaib Khalid、Anderson Janotti 和 Bharat Medasani，2024 年 5 月 24 日，2D 材料。 DOI: 10.1088/2053-1583/ad4720

（首圖來源：普林斯頓電漿物理實驗室)

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