小芯片大变革：应用材料推动半导体原子前沿技术突破

当摩尔定律逐渐逼近物理极限，半导体行业正面临着前所未有的挑战与机遇。在这样的背景下，二维半导体以其原子级的薄度，正在重新描绘芯片的未来发展蓝图。

在微电子技术的发展进程中，尺寸是一个关键因素。为了满足人工智能、智能设备等领域不断涌现的创新需求，未来的微芯片必须朝着更小体积的方向发展。亚利桑那州立大学 Ira A. Fulton 工程学院下属物质、运输与能源工程学院的 Tongay 教授，获得了全球微电子行业领导者应用材料公司（Applied Materials Inc.）的一系列研究资助，专注于开发先进技术，旨在打造更小巧、更高能效的芯片。这一资助项目是该校在微电子领域开展重大突破性研究的重要合作项目之一。

随着半导体产业中传统硅材料的发展逐渐遭遇收益递减的瓶颈，二维半导体作为一个新兴的前沿领域正崭露头角。这些仅由几个原子厚度构成的材料，有望实现硅基材料难以达到的目标，将芯片的性能提升到前所未有的速度、效率和微型化水平。Tongay 及其团队深入到原子尺度的微观世界，致力于开发、测试和优化新型材料，这些材料未来有望为从量子计算到快速发展的 AI 硬件等众多领域提供强大动力。

Tongay 表示：“（二维）半导体提供了传统硅材料无法实现的可能性，它们让我们能够突破现有技术的限制，在保持高性能和低能耗的同时实现超微缩，这无疑是电子技术的下一个重要时代，而且变革已经悄然发生。” 与相对较厚且受物理限制的硅晶圆不同，二维半导体具有超薄、柔韧的特性，并且拥有卓越的电子性能。这种材料可以实现像纸张一样层层堆叠的芯片结构，使得工程师能够在更小的空间内集成更强大的处理能力。

然而，要以工业级的标准实现这些材料的规模化生产并非易事。为此，Tongay 团队正在积极开发新型制备技术，采用近乎原子级打印的方式，将超薄材料精准地沉积在芯片所需的位置。Tongay 强调：“我们不仅是在制造材料，更是在进行原子级精度的架构设计。” 材料制备完成后，将接受严格的性能测试，并与成熟的硅基和硅锗半导体进行基准比较，目标是证明二维材料不仅能够与传统材料相媲美，在某些方面更能实现超越。

该团队的研究并非是要取代硅材料，而是要实现技术的跨越。二维半导体不仅更薄，其特性也与传统材料截然不同。它们可以被调谐用于新型晶体管，实现柔性电子器件，甚至为光子计算或自旋电子计算开辟新的道路。Fulton 学院业务发展总监 Anthony Tam 指出，这项研究的影响远远超出了学术范畴。他解释道：“这项工作的激动人心之处在于它直击行业的核心挑战，即如何在降低功耗的同时持续推进先进芯片的微缩化。未来 AI 处理器的功耗可能超过 10 千瓦，相当于 1000 个家用灯泡的能耗，而这个项目有望带来颠覆性的突破。”

这些研究成果可能引领新一代电子设备的发展浪潮，催生更小巧、更快速、散热更佳且能效更高的产品。例如，单次充电可续航数天的可穿戴设备、性能闪电般迅捷的 AI 处理器，或是无需消耗整座城市电力就能运行的数据中心。

为了制备这些原子级薄层材料，Tongay 团队正在开发可直接在芯片表面逐层生长原子的新技术。这种自下而上的方法比传统工艺具有更高的精度，能够实现对每层材料结构和性能的精细调控。团队采用脉冲激光沉积（PLD）和等离子体增强化学气相沉积（PECVD）等先进技术来实现这一目标。PLD 技术通过强激光将固体材料转化为等离子体，随后在加热表面形成薄膜；而 PECVD 则利用激发态气体引发化学反应，在较低温度下逐层构建材料。

Tongay 表示：“我们致力于确保这些尖端材料能够真正投入实际应用，这意味着既要提升材料的性能，也要优化其生长工艺、测试方法和规模化生产。”Fulton 学院业务发展总监 Anthony Tam 认为，这项研究的意义不仅局限于学术领域，更有可能对整个半导体行业产生深远的影响。物质、运输与能源工程学院主任 Anthony Waas 评价道：“这些都是面向未来且具有明确工业价值的研究，它们展示了 ASU 研究人员如何从概念走向实践，助力解决当前微电子领域最紧迫的技术挑战。”Tongay 实验室里原子尺度的突破，必将在全球各行业产生深远的影响，尽管芯片尺寸越来越小，但其中蕴含的创新成果却意义重大。