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《对于下一代半导体，2D领先3D》

  • 来源专题：后摩尔
  • 编译者： Lightfeng
  • 发布时间：2020-07-19

  • POSTECH研究团队已经开发出一种使用二维分层结构材料的存储设备，从而开辟了低功率存储设备商业化的可能性。POSTECH研究团队在博士学位课程中成功设计出了一种最佳的卤化物钙钛矿材料，研究结果发表在《先进科学》上。

    理想的下一代存储设备应高速处理信息，存储具有非易失性特征的大量信息以及为移动设备以低功率工作。最新发现卤化物钙钛矿材料具有电阻转换特性，因此全世界都投入研究，以将其应用于ReRAM器件。但也存在问题，即卤化钙钛矿材料在暴露于大气时稳定性差。

    研究小组使用第一原理计算法比较了具有各种结构的卤化钙钛矿的相对稳定性和性质。可以通过减少寻找新材料的时间来加速存储设备的开发。 DFT计算预测，AB2X5形式的二维分层结构CsPb2Br5可能比ABX3或其他结构的三维结构具有更好的稳定性，并且此结构可以在存储设备中显示出更高的性能。

    为了验证该结果，合成了具有二维层状结构的无机钙钛矿材料CsPb2Br5，并将其首次应用于存储器件。具有CsPbBr3三维结构的存储设备在高于100°C的温度下会失去其存储特性。但是，使用CsPb2Br5的二维分层结构的存储设备可以在140°C以上的温度下保持其存储特性，并且可以在低于1V的电压下运行。

    通过计算机计算将其作为存储设备的最佳新材料并将其应用于实际生产中，可以将该材料应用于各种电子设备的存储设备，例如要求低功耗的移动设备或要求可靠运行的服务器，加速下一代数据存储设备的商业化。

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    • 来源专题：光电情报网信息监测服务平台
    • 编译者：husisi
    • 发布时间：2021-12-20
    • 在寻求保持摩尔定律继续生效的过程中，您可能会想要进一步缩小晶体管，直到最小的部分只有一个原子厚。但不幸的是，这不适用于硅，因为它的半导体特性需要第三维。但是有一类材料可以充当半导体，即使它们是二维的。一些最大的芯片公司和研究机构的新结果表明，一旦达到硅的极限，这些2D半导体可能是一条很好的前进道路。 本周在旧金山举行的IEEE国际电子设备会议上，英特尔、斯坦福和台积电的研究人员针对制造2D晶体管最棘手的障碍之一提出了单独的解决方案：半导体相遇处的电阻尖峰金属触点（sharpspikesofresistanceattheplaceswherethesemiconductormeetsmetalcontacts）。与此同时，imec的工程师展示了他们如何为这些新型材料的商业级制造扫清道路，并展示了未来二维晶体管可能有多小。北京和武汉的研究人员也构建了最先进类型的硅器件的二维等效物。 “硅已经达到极限，”斯坦福大学电气工程教授KrishnaSaraswat说。“人们声称摩尔定律已经结束，但在我看来情况并非如此。摩尔定律可以通过进入第三维来继续。”为此，你需要二维半导体或类似的东西，Saraswat说，他与斯坦福大学教授EricPop和台积电的H.-S.?PhilipWong在3D芯片上做研究。由于它们有可能缩小到小尺寸和相对较低的处理温度，二维半导体可以构建在多层中。 二维半导体属于一类称为过渡金属二硫属化物的材料。其中，研究得最好的是二硫化钼（molybdenumdisulfide）。另一个这样的2D材料是二硫化钨（tungstendisulfide），它拥有比MoS2更快的速度。但在英特尔的实验中，MoS2的设备是更优越的。 或许二维半导体面临的最大障碍是与它们建立低电阻连接。这个问题被称为“Fermi-levelpinning”，这意味着金属触点和半导体的电子能量之间的不匹配会对电流产生高阻势垒。这种肖特基势垒的产生的原因是因为界面附近的电子流入低能量材料，留下一个电荷耗尽的区域来抵抗电流。现在的目标是使该区域变得微不足道，让电子可以毫不费力地穿过它。 Saraswat的学生AravindhKumar在IEDM上提出了一个解决方案。在之前的研究中，金是与MoS2形成晶体管的首选触点。但是沉积金和其他高熔点金属会损坏二硫化钼，使屏障问题变得更糟。因此，Kumar试验了熔点在数百摄氏度以下的铟和锡。 沉积黄金会破坏二维半导体。但铟和锡不会造成损害。 但这些值太低，以至于这些金属会在芯片加工和封装过程的后期熔化，这会使芯片暴露在300-500摄氏度的温度下。更糟糕的是，金属在加工过程中会氧化。在试图解决后一个问题的同时，Kumar修复了前者。答案是将低熔点金属与金合金化。铟或锡首先沉积在MoS2上，保护半导体，然后用金覆盖以远离氧气。该过程产生了具有270欧姆-微米电阻的锡金合金和具有190欧姆-微米电阻的铟金合金。并且这两种合金都应该在至少450摄氏度下保持稳定。 台积电和英特尔这两个晶圆制造竞争对手则分别找到了不同的解决方案——锑。台积电企业研究部低维研究经理HanWang解释说，这个想法是通过使用半金属作为触点材料来降低半导体和触点之间的能垒。半金属（Semimetals：例如锑）就像它们位于金属和半导体之间的边界并且具有零带隙的材料。由此产生的肖特基势垒非常低，这就使得台积电和英特尔设备的电阻都很低。 台积电此前曾与另一种半金属铋合作。但它的熔点太低。曾与斯坦福大学的Wong合作过的Wang说，锑更好的热稳定性意味着它将与现有的芯片制造工艺更兼容，从而产生更持久的设备，并在芯片制造工艺的后期提供更大的灵活性。台积电首席科学家。 imec探索逻辑项目经理IngeAsselberghs表示，除了制造更好的设备外，imec的研究人员还对寻找在商用300毫米硅晶圆上集成2D半导体的途径感兴趣。使用300毫米晶圆，imec探索2D设备最终可能会变得多小。研究人员使用二硫化钨作为半导体，形成了双栅极晶体管，其中WS2夹在控制电流流过的顶部和底部电极之间。通过使用图案化技巧，他们设法将顶栅缩小到5纳米以下。该特定设备的性能并不是特别好，但研究指出了改进它的方法。 另外，在本周晚些时候公布的研究中，imec将展示300毫米兼容工艺优化步骤，以通过包括铝酸钆夹层（gadoliniumaluminateinterlaye）等来改善MoS2晶体管特性。 Imec制造了栅极长度小于5纳米的二硫化钨晶体管。 虽然像imec这样的双门器件是二维研究的标准，但北京大学和武汉国家强磁场中心（WuhanNationalHighMagneticFieldCenter）的工程师更进一步。今天的硅逻辑晶体管（称为FinFET）具有一种结构，其中电流流过硅的垂直鳍片，并由覆盖在鳍片三侧上的栅极控制。但是，为了继续缩小设备的尺寸，同时仍然驱动足够的电流通过它们，领先的芯片制造商正在转向纳米片设备。在这些中，半导体带堆叠起来；每个四面都被大门包围。由YanqingWu领导的北京研究人员使用两层MoS2模拟了这种结构.事实证明，该设备不仅仅是其各部分的总和：与其单层设备相比，2D纳米片的跨导要好于两倍以上，这意味着对于给定的电压，它驱动的电流是两倍多。 英特尔模拟了堆叠式二维设备的更极端版本。它的研究人员使用六层MoS2和只有5纳米的栅极长度，而不是北京设备的两层和100纳米。与具有相同垂直高度和15纳米栅极长度的模拟硅器件相比，二维器件封装了两个更多的纳米片并且性能更好。尽管电子通过MoS2的速度比通过硅的速度要慢，并且接触电阻要高得多，但所有这一切都是如此。 随后，Wu和同事又朝着模仿硅器件制造商的近期计划迈出了一步。根据定义，CMOS芯片由成对的N-MOS和P-MOS器件组成。作为将更多设备塞入同一硅片区域的一种方式，芯片制造商希望将这两种类型的设备堆叠在一起，而不是并排排列。英特尔在去年的IEDM上展示了这种称为互补FET(CFET)的硅器件。Wu的团队通过用二硒化钨替换堆叠器件中的MoS2层之一来尝试相同的方法。然后，通过修改源极和漏极之间的连接，2DCFET变成了一个反相器电路，其占位面积与单个晶体管基本相同。 在二维半导体在大规模制造中获得一席之地之前，显然还有很多工作要做，但随着接触电阻的进展和新实验显示的潜力，研究人员充满希望。
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  • 《下一代先进制造技术是什么？2019年3D打印在内的14大趋势》
    • 来源专题：中国科学院文献情报制造与材料知识资源中心 | 领域情报网
    • 编译者：冯瑞华
    • 发布时间：2019-02-01
    • 未来的工厂必然会采用更尖端的技术，而现在是一些新技术刚开始被主流采用的时候。CB Insights发布了2019年值得关注的14大先进制造趋势，覆盖新的生产方法和工人所运用的高科技装备等，具体包括：通用物联网、工业机器人、工业无人机、边缘计算和3D打印等。 1. IIOT平台 工厂拥有大量数据，2019年制造商想出应对方法了吗？ 通用物联网平台（Universal IoT platforms）是物联网领域的一个子集，可以驱动提取和集成工厂所生成数据。今年，市场寻求从风险投资和工业重量级企业加大对先进制造业物联网的投资。 下图显示Predix的运作，这是一家提供通用工业物联网平台的先进制造初创公司。 2.工业传感器 工业传感器更便宜、更容易部署，制造商正在利用这类设备提供其他解决方案。 由于业内涌入大量的风险投资，预计2019年将会出现新型且性能更好的产品，支撑先进制造业IIoT。 下图显示物联网传感器的价格，从今年到2018年已经下降了66％，这是今年值得关注的先进制造趋势之一。 3.工业机器人 2019年另一个值得关注的先进制造趋势是工业机器人变得更小、更智能，与人类的联系更紧密。 机器人灵活性、计算机视觉和人机交互的改进使机器人用例更具吸引力。今年，我们期望机器人能够更深入地进入生产过程，并进入有限的结构化环境。 下图显示了自2015年以来，随着先进制造业的上升趋势，合作机器人也大幅增长。 4.预测分析 分析技术从过去事件的反应性分析，朝着对未来进行更具规范性的预测性分析发展。随着机器生成和收集更多数据，预测分析今年可能会变得更加普遍。 5.边缘计算 边缘计算可以为一系列先进的制造技术提供基础设施。2019年，值得关注的是额外的边缘智能，以及预测性维护、工业机器人和3D打印等技术。 下图显示边缘计算（一种不断上升的先进制造趋势）自2015年以来大幅增长。 6.工业无人机 无人机的影响不可否认很广，但2018年也引发了一个问题，哪家公司将拥有工业无人机市场？今年可能会看到无人机硬件制造商开始巩固其作为市场领导者的地位。 从长远来看，数据无人机收集可能比无人机本身更有价值。 7.个性化制造 随着3D打印开始广泛采用，汽车OEM在大规模定制方面变得更加出色。在2019年，我们应该会看到汽车行业进一步采用3D打印，来满足可定制车辆的需求。 8. AR/VR AR可以改变工作场所的安全、培训方式和工人生产力。投资者和科技公司都发现了AR的巨大潜力，主要制造商已经开始实施该技术，并且从中受益。 根据波音和通用电气等公司的研发成果，AR可以在2019年推动先进制造业生产力的一个阶段性变革。 下图比较了AR和VR从2014年到2018年都不断上升的发展趋势。 9.可穿戴技术 工业应用中的可穿戴技术集成重点是“实用第一”，但下一步是可提高性能的技术。2019年，我们将会看到实时工作人员监控，而采用AR/VR设备会作为更具未来感可穿戴技术的领先指标。 10.工业区块链 在2017年和2018年之间，区块链狂热发展，而现在可以重新评估工业用区块链的实际应用。区块链炒作在2019年会慢慢消亡，预计区块链技术将会更贴近实际，实质性地用在工业安全和知识产权保护等方面。 11.机器视觉 人工智能和传感器技术的进步可以使机器视觉颠覆各种先进制造应用。该技术可以用于检测质量控制问题、分类库存和控制流程。今年，密切关注边缘计算和人工智能以及机器视觉，可以确定技术的发展轨迹。 12.机器即服务 传感器和连接设备可以发展为机器即服务模型（通常称为硬件即服务），通过这种方式公司可以加快工业机械化。 虽然该领域的投资和启动活动目前很少，但航空航天领域的机器即服务获得大量成功，因此2019年先进制造业也将会更多采用这类技术。 13. 3D打印 多年来，3D打印一直被誉为“改变游戏规则”的制造技术，然而这项技术一直没能完全成型。但2019年可能是增材制造的十字路口。 通用电气一直是该技术的最大支持者之一，但只注重削减成本可能不会让该技术发展成增长研究投资的主要来源。在2019年，软件和安全系统可能需要在3D打印真正发挥作用之前改进。 下图显示了工业3D打印的风险投资资金，这也是一个不断上升的先进制造趋势。资金从2014年开始大幅上升直到2017年达到最大值，随后在2018年急剧下降。 14.数据互操作性 工业物联网已经创造了大量数据，但其中大部分还没有被利用：《哈佛商业评论》的研究发现，在决策中使用的结构化数据不到一半，并且<1％的非结构化数据还没有被使用。 现在，一批新的创业公司旨在通过整合不同来源的数据，填补这部分空缺。在2019年，期望先进的制造业采用更多的分析平台，这些平台可以轻松地与不同的或非结构化的数据集一起使用。
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