一个比病毒小几百倍的缝隙，足够让整个半导体行业走错方向
近日，维也纳工业大学团队在 Science 发表了一篇可能会对整个芯片行业产生重要作用的论文。台积电、英特尔、三星这些巨头正在豪掷千金，研发两纳米甚至一纳米的制程。如果选错了材料方向，几百亿美元可能竹篮打水一场空。
这篇论文 提供了一个筛选工具，它能够知道哪些材料是值得下注的真金，哪些只是看着漂亮的数据。 同时，这篇论文中重点强调的是，二维材料和绝缘层必须从最初就一起设计 。
当前手机电脑越做越小，芯片里的零件已经快碰到物理极限。人们想用原子厚度的神奇材料来续命，却遇到了一个拦路虎，那就是当这些超薄材料叠在一起时，它们之间会卡着一个看不见的缝隙。
这个缝隙只有零点一四纳米，比一个硫原子还细，却能严重削弱电子性能。此外，本次研究人员也找到了拉链式材料这一解药，能让两层原子牢牢锁死，彻底消除这个缝隙，从而能够帮助芯片行业避开一条可能浪费几百亿美元的死胡同。
| 本次论 文第一作者 Mah di Pourfath （来源：Google Schola r ）
想制造更小的晶体管，就得把绝缘层做得极薄。 绝缘层的作用是隔开控制电极和导电通道。如果使用原子厚度的二维材料，传统方案就失灵了。大多数二维材料和绝缘层之间只能靠范德华力粘着。
这是一种很微弱的吸引力，就像两块光滑的玻璃板轻轻贴在一起。它们之间永远隔着一道肉眼看不见的空气缝。这个缝隙虽然只有零点一四纳米，却成了一夫当关的瓶颈。
与此同时，这个缝隙还带来了双重麻烦。它像真空一样不导电，会大幅削弱控制电极的电容效应。电容减弱意味着控制芯片开关的效率变差。这个缝隙还会让电子乱跑，增加漏电和能量损耗。很多材料本身性能优异，贴上绝缘层后就泯然众人了。 研究人员一针见血地指出，问题不在材料本身，而在材料的接缝处。
研究人员用计算机模拟了多种材料组合，发现六方氮化硼这种绝缘体表现尚可。它虽然也产生了缝隙，但缝隙反而挡住了漏电。不过大多数高倍材料就惨了，比如钛酸锶这种高倍材料，本身介电常数极高，一旦形成缝隙所有优势都付诸东流。 它的绝缘效果甚至不如传统材料，直接失去了继续微缩的资格。
但是，科学家已经找到了解决办法，这个方法就是拉链式材料。某些特殊氧化物能和二维半导体长出连续化学键，它们像拉链一样紧密咬合彻底消灭了那个缝隙。一种名为 BSO BOS 的材料已经做到了这一点，它的绝缘等效厚度只有零点四纳米，创造了新的世界纪录。这种材料不仅性能炸裂，还保留了较好的电子迁移率。
为了弄清楚这个缝隙到底有多致命，研究人员做了大量细致的计算。他们发现这个缝隙的介电常数只有二左右，和真空差不多。这意味着无论你选多牛的绝缘材料，电子都得先穿过这道空气墙。这道墙会给整个器件凭空增加零点二七纳米的等效氧化物厚度，对于追求亚纳米级别的先进制程来说，这简直是雪上加霜。
研究人员还分析了金属电极接触的问题，芯片里的源极和漏极需要跟二维材料手拉手。如果中间也卡着缝隙，电阻会噌噌往上涨。按照国际器件与系统路线图的要求，未来芯片的接触电阻得压到一百八十欧姆每微米以下。如果缝隙还在，这个目标基本不可能实现。所以只有把缝隙彻底消灭，才有机会摸到那个门槛。