阿卜杜拉國王科技大學(xué)（KAUST）首次展示的集成了具有奇異性質(zhì)的二維原子級薄材料的功能性微芯片預(yù)示著微電子學(xué)的新時代，這一突破證明了二維材料在擴大基于微芯片技術(shù)的功能和性能方面的潛力。

自從2004年科學(xué)家首次制造出原子級石墨薄層——石墨烯以來，由于其奇特和有前途的物理特性，人們對這種材料的先進和新型應(yīng)用產(chǎn)生了強烈的興趣。但是，盡管經(jīng)過二十年的研究，基于這些二維材料的功能性微器件已被證明是難以實現(xiàn)的，因為在制造和處理這種脆弱的薄膜方面存在挑戰(zhàn)。

受蘭扎實驗室最近在功能性二維薄膜方面取得的成就的啟發(fā)，KAUST領(lǐng)導(dǎo)的合作現(xiàn)在已經(jīng)生產(chǎn)并展示了一個基于二維的微芯片原型。

“我們的動機是通過使用傳統(tǒng)的硅基CMOS微電路作為基礎(chǔ)和標準的半導(dǎo)體制造技術(shù)，提高基于二維材料的電子設(shè)備和電路的技術(shù)準備水平，”蘭扎說。“然而，挑戰(zhàn)在于合成的二維材料可能包含局部缺陷，如原子雜質(zhì)，會導(dǎo)致小器件失效。而且，要把二維材料集成到微芯片中而不損壞它是非常困難的?！?/p>

研究小組優(yōu)化了芯片的設(shè)計，使其更容易制造并將缺陷的影響降到最低。他們通過在芯片的一側(cè)制造標準的互補金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）晶體管，并將互連線輸送到底部，在那里，2D材料可以在直徑小于0.25微米的小墊子中可靠地轉(zhuǎn)移。

“我們生產(chǎn)了二維材料——銅箔上的六方氮化硼，或稱h-BN，并使用低溫濕法將其轉(zhuǎn)移到微芯片上，然后我們通過傳統(tǒng)的真空蒸發(fā)和光刻技術(shù)在上面形成電極，這些都是我們內(nèi)部擁有的工藝，”蘭扎說。“通過這種方式，我們生產(chǎn)了一個5×5的單晶體管/單記憶體單元陣列，以橫條矩陣連接。

二維h-BN的奇特特性在于它只有18個原子或6個納米的厚度，使它成為一個理想的“記憶體”，一個電阻元件，其電阻可由施加的電壓來設(shè)定。在這種5×5的規(guī)格中，每個微型記憶體墊都與一個專用晶體管相連。這提供了所需的精細電壓控制，使記憶體作為一個功能器件在數(shù)千次循環(huán)中具有高性能和高可靠性，在這種情況下作為一個低功率的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)元件運行。

“有了這一旗艦性的突破，我們現(xiàn)在正與領(lǐng)先的半導(dǎo)體公司交談，以繼續(xù)朝這個方向努力，”蘭扎說?！拔覀冞€在考慮在KAUST安裝我們自己的二維材料的晶圓規(guī)模的工業(yè)加工系統(tǒng)，以推進這種能力。”