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晶体管是电子设备的基本元件,但其构造过程非常复杂,需要高温且高度真空的条件。美韩科学家在《科学》杂志上报告了一种新型制造方法,将液体纳米晶体“墨水”按顺序放置。他们称,这种效应晶体管或可用3D打印技术制造出来,有望用于物联网、柔性电子和可穿戴设备的研制。

2016年对半导体行业来说是风起云涌。为了度过难关,各大企业不是一头扎进了疯狂的并购潮,就是加大力度进行技术研发。今天就让我们来看一看2016年半导体材料都发生了哪些突破。

据美国物理学家组织网日前报道,美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室和加州大学伯克利分校的科学家成功地将厚度仅为10纳米的超薄半导体砷化铟层集成在一个硅衬底上,制造出一块纳米晶体管,其电学性能优异,在电流密度和跨导方面也表现突出,可与同样尺寸的硅晶体管相媲美。该研究结果发表在最新一期《自然》杂志上。     

硅是我们周围使用的计算机的基石,但是半导体器件的非柔性意味着它的使用范围是受限的。首个塑料半导体计算机处理器和存储器芯片的诞生表明,有一天,计算机的影响将无处不在。

近日,我校纳米光电材料研究所在柔弹性透明电极及LED应用方面取得突破性进展,相继发表于学科顶级杂志《Nano Letters》、《Angewandte Chemie International Edition》。博士生宋继中、曾海波教授分别为第一作者、通讯作者。鉴于以上工作受到审稿人高度评价,并以Top5稿件推荐发表,曾海波教授已经收到《Angewandte Chemie International Edition》杂志编辑的邀请,将于2015年就“新型柔弹性透明电极的当前研究进展”主题为该杂志撰写领域前沿综述。

据宾夕法尼亚大学官网消息,研究人员在实验中先将拥有晶体管电学属性的纳米晶体,或球形纳米粒子分散在液体内,制造出四种纳米晶体墨水:一种导体、一种绝缘体、一种半导体以及一种有掺杂物的导体。研究人员之一、韩国地质矿产研究所的崔志赫说:“我们首次证实,晶体管所有的组件金属层、绝缘层、半导体层甚至半导体掺杂剂都能由纳米晶体制造。”

一、硅基导模量子集成光学芯片研制成功

    尽管硅拥有很多令人惊奇的电子特性,但这些特性已经快被利用到极限,科学家一直在寻找能替代硅的半导体材料,以制造未来的电子设备。伯克利实验室材料科学分部的首席科学家、加州大学伯克利分校电子工程和计算机科学教授艾里·杰维表示,最新的研究证明,半导体家族Ⅲ—Ⅴ族化合物中的一个成员砷化铟具有超强的电子迁移率和电子迁移速度,可以成为性能优异的“硅替身”,用于制造未来低能耗、高速率的电子设备。     

欧洲的研究人员使用4000个塑料或有机晶体管来制造塑料微处理器,这种处理器大概为2平方厘米大小,置于软性塑料薄片上。来自比利时微电子纳米技术研究中心(IMEC nanotechnology center)的简·葛诺(Jan Genoe)说,“与使用硅相比,这种材料可以降低成本,并提高柔韧性”。葛诺及其同事与荷兰应用科学研究院(TNO research organization)和显示器公司Polymer Vision的研究人员一起开展工作。

透明电极在当代众多电子与光电子元器件中发挥着重要的作用,是不可缺少的光电功能材料。但是,该领域无论是在产业应用还是基础研究方面,都到了升级换代的关键时刻。一方面,作为当前市场的主导透明电极材料,氧化铟锡已经遭遇了铟资源枯竭、真空磁控溅射耗能昂贵的严峻挑战。另一方面,当前的元器件正由传统的硬质芯片向柔性、弹性、可穿戴器件过渡,这方面市场正在爆发式增长,毫无疑问就对其中的透明电极提出了新的要求。因此,“基于纳米晶墨水的柔弹性电极”在最近两年应运而生,该方案既有望避免稀有金属铟,又能与各类打印技术良好兼容,而且便于制作各类柔性和弹性电极,已经成了横跨信息和能源领域的研究热点。其中,普适性的纳米晶合成、透明电极的光电性能提高,柔弹性器件应用中的稳定性等等是该领域亟待解决的关键问题。

不过在制造过程中,需要采用精确的方式将其堆放。首先,导电的银纳米晶体墨水从液体中沉淀在一个被光刻用掩模处理过的柔性塑料表面,随后,快速旋转将其画在一个平坦的层内。接着将掩模移走,留下银墨水做晶体管的门电极。接下来,在其上面放置一层以氧化铝纳米晶体为基础的绝缘体,再放上一层以硒化镉纳米晶体为基础的半导体,最后加上另一层铟/银混合物,形成了晶体管的源电极和漏电极。当以较低温加热这套系统时,铟掺杂从这些电极扩散到半导体组件中。

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    一直以来研究人员面临的挑战是如何将Ⅲ—Ⅴ族化合物半导体同现有的生产硅基设备的低成本处理技术相结合,因为硅和Ⅲ—Ⅴ族化合物半导体之间存在着巨大的晶格失配度,让这些化合物半导体直接在硅衬底上进行异质外延生长面临着巨大挑战,并可能导致产品出现大量缺陷。     

该处理器目前只能运行16条指令的简单程序。命令是被硬编码进用塑料电路蚀刻的附属薄片上,这样就可以与处理器连接起来“加载”程序。葛诺说,这样处理器可以计算进来的信号的运行平均值,这是一个接收传感器信号并进行处理的芯片要做的事情。芯片以6赫兹的速度运行(这比现在桌面机器运行速度慢100 万倍),与现在计算机处理器128位的处理能力相比,这个芯片最多只能处理8位的信息。

最近,曾海波团队发展了氧化物纳米晶合成与掺杂的普适性一步制备方法。博士生宋继中从产业实际需求出发,研制出的纳米晶胶体墨水具有超过1年的稳定性,非常适合各类打印成膜工艺。随后,该方法被拓展到IZO、GZO、AZO、ITO,甚至一系列CoO、MnO、Fe3O4、CdO等一系列纳米晶墨水,并进行了实验室内扩大100倍的制备检验,均能保持纳米晶的高质量与墨水的高稳定性,从而将该方法发展成为了一种普适性的一步法,相关工作已经申请了系列专利。进一步,在由纳米晶墨水制备高质量电极薄膜方面,该团队发展了多步组装成膜与紫外光辐照两个关键技术。经过优化,部分电极性能与所报道最佳结果相当,另有部分种类电极超过此前氧化物纳米晶电极的最高水平,其中方块电阻可低至110 Ω/sq而相应的透光率可高于88%,在全溶液加工的高分子发光二极管中的表现与商用高档次透明导电电极相当。该工作以题为“A General One-Pot Strategy for the Synthesis of High-Performance Transparent-Conducting-Oxide Nanocrystal Inks for All-Solution-Processed Devices”发表于Angewandte Chemie International Edition, 2014, DOI: 10.1002/ange.201408621。

参与研究的专家卡根说:“用溶液基材料进行研究时,要确保添加第二层不会洗掉第一层,依此类推。我们必须在纳米晶体刚进入溶液以及沉淀后,对其表面进行处理,确保它们拥有合适的电学属性并采用我们希望的构造组合在一起。”

7月份,中国科技大学郭光灿院士领导的中科院量子信息重点实验室任希锋研究组与浙江大学戴道锌教授合作,首次研制成功硅基导膜量子集成芯片,他们在硅光子集成芯片上利用硅纳米光波导中不同的能量传输模式,作为量子信息编码的新维度,实现了单光子态和量子纠缠态在偏振、路径、波导模式等不同自由度之间的相干转换,其干涉可见度均超过90%,为集成量子光学芯片上光子多个自由度的操纵和转换提供了重要实验依据。

    杰维表示,他们使用了一种外延转移方法,通过绝缘体上化合物半导体平台,将超薄的单晶砷化铟层转移到硅/二氧化硅衬底上,然后用传统的处理技术制造出了该晶体管设备。研究表明,该XOI技术平台与绝缘体上覆硅工艺一样。     

有机晶体管已经使用在LED显示器和RFID标签上,但是没有以这样的规模组合使用,或用于制造各种处理器。上个月,国际固态电路会议(ISSCC conference)在加利福尼亚圣何塞召开,该微处理器在会上展出。

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卡根表示,新过程的工作温度比传统方法低,因此,他们能同时在同一块柔性塑料背衬上制造多个晶体管,“大面积和更低温度制造晶体管是包括物联网、大区域柔性电子和可穿戴设备等多项新兴技术的目标”。

二、首个打破物理极限的1nm晶体管诞生

    为了制造出XOI平台,杰维团队在一个初级源衬底上种植了单晶砷化铟薄膜(其厚度为10纳米到100纳米),接着采用石板印刷的方式将薄膜蚀刻成有序的纳米带阵列,再用湿法刻蚀技术将该纳米带阵列从源衬底上移走,最后使用冲压工艺将其转移到硅/二氧化硅衬底上。     

制造这种处理器,首先要准备25微米厚的软性塑料片,葛诺说,“就像你包午餐用的东西一样”。然后在上面铺上一层金电极,接着是一个绝缘塑料层和组成处理器4000个晶体管的塑料半导体。通过旋转塑料薄片把一滴有机液体铺成薄而均匀的一层来制作晶体管。缓慢加热塑料薄片,液体变成在有机半导体中广泛使用的并五苯固体(pentacene)。然后使用光刻法蚀刻并五苯层来使晶体管最终成型。

图1,所发展的普适性一步制备方法原理及一系列透明导电氧化物纳米晶墨水

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    杰维认为,砷化铟化合物半导体薄层的尺寸非常小,再加上量子局限效应让该材料的带状结构和传输性能相协调,因此,所得到的半导体具有优异的电学性能。尽管他们仅仅使用了砷化铟,但该技术应该同样适用于其他Ⅲ—Ⅴ族化合物半导体。   

葛诺说,将来,通过印刷如油墨一样的有机部件,可以使制作这种处理器的成本更低廉。“有研究小组致力于卷对卷或片对片的印刷”,他说,“但是在制作小尺寸非摆动的有机晶体管上,还需要有进步。”目前最好的实验室规模的印刷方法只能交付数十倍于微米级的可靠晶体管,他说。

以上氧化物纳米晶墨水组装的电极虽然已经达到当前最高水平,但是导电能力只能和市场中等产品相当,而且颗粒组装膜在器件弯曲和拉伸使用时稳定性非常有限。相对而言,金属纳米线组成的网络电极则导电性可轻易优于市场高档产品,而且网络结构赋予它们天然的弯曲和拉伸高稳定性。相对于领域前期重点研发的银纳米线电极,铜纳米线电极由于性能优良而且成本低得多,因而近来引起了强烈关注。然而,铜纳米线电极的稳定性极差,已成为制约其发展的瓶颈问题。

9778818威尼斯官网:学科顶级期刊相继报道我校曾海波团队在柔弹性电极研究方面的进展,2016年半导体材料领域十大突破。10月7日对于普通人来说可能没有什么意义,但对于计算机技术界来说绝对是一个值得纪念的日子。据外媒报道,劳伦斯伯克利国家实验室的一个团队打破了物理极限,将现有最精尖的晶体管制程从14nm缩减到了1nm。

    杰维表示,新技术可以直接将高性能的光电二极管、激光二极管以及发光二极管集成在传统的硅衬底上,下一步他们将研究该过程是否可以扩展来制造8英寸和12英寸芯片,而且该技术应该能使科学家在同一块芯片上制造出P型和N型半导体。该技术的独特性还在于,它使科学家能够研究仅几个原子层厚的无机半导体的属性。

制造塑料晶体管处理器是一项挑战,因为和有序硅晶体制作的晶体管不同,所有塑料晶体管的表现可能不是相同的。每个晶体管的表现有轻微差别是因为它们是由非结晶的并五苯分子所组成。葛诺说,“没有两个是相同的,我们必须对这种可变性进行研究并仿真,以期做出以最大几率运转正常的设计。”

针对该问题,曾海波团队在利用以上普适性方法制备出高质量大产率铜纳米线墨水的基础上,提出了一种策略:通过表面镍合金化大幅度提高抗氧化能力。博士生宋继中研制的这种经过表面合金化后的铜纳米线弹性电极的抗氧化天数,可由数天提高到超过1000天,远远超过一般应用要求。而相应的方块电阻与透光性可保持在62.4 ohm/sq、80%,完全可以和较好的商业透明柔性电极ITO/PET相比拟。随后的LED器件演示表明,这种铜纳米线电极还可在强烈弯曲、拉伸、扭曲的状态下保持良好的工作状态。相关工作技术部分已经申请了系列专利,基础研究内容以题为“Superstable transparent conductive Cu@Cu4Ni nanowire elastomer composites against oxidation, bending, stretching, and twisting for flexible and stretchable optoelectronics, Nano Letters, 2014, DOI: nl-2014-02647k”发表于Nano Letters, 2014, DOI: nl-2014-02647k。

三、碳纳米晶体管性能首次超越硅晶体管

    如果仅用一个字来表征当代人类物质文明,你恐怕很难找到比“硅”更贴切的答案。硅晶体上诞生的一个又一个辉煌已经伴随我们走过半个多世纪,然而和它说再见的时候或许就要来到。由于芯片的性能和尺寸越来越接近极限,美国一些顶尖实验室和制造商近十年来都在紧锣密鼓地寻找硅的替代材料,其中砷化铟的前景被普遍看好,成为翘楚。虽然未来仍有诸多不确定性,但今天砷化铟纳米晶体管问世分明给出了关于一场新的微电子革命的强烈预示。 

研究小组成功了,但这并不意味着塑料处理器可以在消费计算机上替换硅处理器。葛诺解释说,“有机材料在根本上限制了运行速度。”他希望塑料处理器出现在硅处理器因为价格和物理上的非柔性而产生瓶颈的地方。低廉的有机材料与传统硅相比,可以使塑料方法的价格降低十倍。

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“你可以想象一个被输气管包裹着的有机气体传感器使用软性微处理器清除嘈杂信号,来对任何泄露情况进行报告。”塑料电子产品使得一次性交互显示器可以被包装起来,例如食品,葛诺说,“你可以按下按钮来给你吃的饼干增加卡路里。”

图2,用以上普适性方法制备的铜纳米线墨水。

美国研究人员于9月6日宣布,他们成功制备出一种碳纳米晶体管,其性能首次超越现有硅晶体管,有望为碳纳米晶体管将来取代硅晶体管铺平道路。硅是目前主流半导体材料,广泛应用于各种电子元件。但受限于硅的自身性质,传统半导体技术被认为已经趋近极限。碳纳米管具有硅的半导体性质,科学界希望利用它来制造速度更快、能耗更低的下一代电子元件,使智能手机和笔记本电脑等设备的电池寿命更长、无线通信速率和计算速度更快。但长期以来,碳纳米管用作晶体管面临一系列挑战,其性能一直落后于硅晶体管和砷化镓晶体管。美国威斯康星大学麦迪逊分校的研究人员在美国《科学进展》杂志上介绍了他们克服的多重困难。

明尼苏达大学(University of Minnesota)的有机电子研究人员张伟(音译Wei Zhang)说,这些应用不仅仅需要塑料处理器。在有机处理器被展示的大会上,张伟及其同事展示了首个印刷有机DRAM存储器,大多数电脑都是用这种存储器和处理器一起工作用于短期数据存储。通过喷雾器的喷嘴喷出有机“油墨”层来制作24平方微米大小的存储器阵列,可以存储64位的信息。

这些纳米晶透明电极的研究进展,将有助于缓解现有电子和光电子器件对稀有金属铟的依赖,也将极大助力于新型柔性与可穿戴电子产品的发展。

四、“石墨烯之父”发现比石墨烯更好的半导体——硒化铟(InSe)

张伟说,之前的印刷存储器是非挥发的,也就是说,即使断电,它也会保存数据,这不适合包括了频繁读写和改写操作的短期存储。明尼苏达的研究小组能够印刷DRAM是因为他们设计了一种印刷有机晶体管,使用离子凝胶绝缘物质隔离电极。

该项研究得到了国家重大科学研究计划(2014CB931700-02)、国家基金委优秀青年基金等项目的资助。

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内部的离子较之传统的非离子绝缘体可以使凝胶层存储更多的电荷。这强调了限制有机存储器发展的两个问题。凝胶的电荷存储能力降低了操作晶体管和由其构成的存储器所需的功率;也使得存储器中用来表示1和0的电荷等级变得明显,并可以在不需要存储器刷新的情况下持续一分钟之久。

石墨烯只有一层原子那么厚,具有无可比拟的导电性。全世界的专家们都在畅想石墨烯在未来电路中的应用。尽管有那么多的超凡属性,石墨烯却没有能隙(energy gap)。不同于普通的半导体,它的化学表现更像是金属。这使得它在类似于晶体管的应用上前景黯淡。这项新发现证明,硒化铟晶体可以做得只有几层原子那么薄。它已表现出大幅优于硅的电子属性。而硅是今天的电子元器件(尤其是芯片)所普遍使用的材料。更重要的是,跟石墨烯不同,硒化铟的能隙相当大。这使得它做成的晶体管可以很容易地开启/关闭。这一点和硅很像,使硒化铟成为硅的理想替代材料。人们可以用它来制作下一代超高速的电子设备。

张伟说,有机印刷DRAM可用于由印刷有机LED构成的显示器中图像帧的短期存储。这使得更多的设备可以用印刷方法来制造,抛弃一些硅组件,并降低成本。

五、人类首次飞秒拍摄到了半导体材料内部的电子运动

把有机微处理器和存储器结合起来的方法可以降低成本,尽管张伟说这两者目前还不能连接。“这些工作是新技术,所以我们不能保证它们可以构造并一起工作”,张伟说,“但是在将来,这是可行的。”

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电子是一种亚原子粒子,属于轻子的一种。长期以来,由于它的质量小(9.1x10-31千克),速度快(绕原子核一周只需要1.8x10-16秒),虽然用处广泛,却难以观测。2008年2月,来自瑞典的几位科学家首次拍摄到了单个电子的录像,实现了历史性的突破。然而,想要拍摄固体内部的电子,因为电子数量众多、环境复杂,更是难上加难。长期以来,科学家们没有找到任何直接观测的方法。如今,来自冲绳科学技术大学院大学(Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University,OIST)的科学家们用他们的“飞秒照相机”成功地首次拍到了材料内部电子的运动轨迹,再度实现了突破。

六、美国犹他大学工程师最新发现新型二维半导体材料一氧化锡(SnO)

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一氧化锡这个“小鲜肉”由犹他大学材料科学和工程学副教授艾舒托什·蒂瓦里领导的研究团队发现,它由锡和氧元素组成。目前,电子设备内的晶体管和其他元件由硅等三维材料制成,一个玻璃基层上包含有多层三维材料。但三维材料的缺陷在于,电子会在层内的各个方向四处弹跳。蒂瓦里解释道,而二维材料的优势在于,其由厚度仅为一两个原子的一个夹层组成,电子只能在夹层中移动,所以移动速度更快。

七、德国开发出新型有机无机杂化“人工树叶”

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德国亥姆霍兹柏林材料与能源中心michaellublow教授课题组日前首次设计合成了一种新型有机无机杂化的硅基光阳极(人工树叶)用于光解水产氧。得益于该保护层高稳定性、高导电性,光催化解水效率大幅提高,该项研究创新性地引入有机保护层,首次构造出了有机无机杂化的稳定光阳极结构,克服传统光阳极光解水的不稳定性问题,为光催化光阳极设计提供了新思路;同时,该保护层的制备方法具备良好的可扩展性,可沿用到其他半导体材料。

八、新型无机半导体材料SnIP具有DNA的双螺旋结构

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德国慕尼黑工业大学(Technical University of Munich;TUM)的研究人员合成了一种高度弹性的无机半导体材料——SnIP,最特别的是它具有像DNA的双螺旋结构。

这种新型的半导体主要由锡(Sn)、碘(I)和(P)三种元素构成,能够展现出非凡的光学与电子特性,并具备极端的机械柔韧度,其纤维约有几公分长,但可任意弯曲而不至于断裂。截至目前为止,最细的SnIP纤维仅包含5种双螺旋链,而且厚度只有几奈米。

九、首块纳米晶体“墨水”制成的晶体管问世

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晶体管是电子设备的基本元件,但其构造过程非常复杂,需要高温且高度真空的条件。美韩科学家在《科学》杂志上报告了一种新型制造方法,将液体纳米晶体“墨水”按顺序放置。他们称,这种效应晶体管或可用3D打印技术制造出来,有望用于物联网、柔性电子和可穿戴设备的研制。

十、美国科学家设计超材料以光子形式释放能量传递信息

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美国劳伦斯伯克利国家实验室和加州大学伯克利分校的科学家在《物理评论快报》杂志撰文指出,他们设计出了一种拥有自然界中没有的新奇属性的“量子超材料”, 它由光组成的人造晶体及被捕获的超冷原子构成,在很多方面与晶体类似,但结构更“完美”,没有天然材料内常见的瑕疵。

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