材料不断增长的挑战

凯瑟琳德比郡&斯珀林

材料已成为一个越来越大的挑战整个半导体供应链,芯片规模继续,或他们在新设备如传感器利用人工智能和机器学习系统。

先进工程材料不再是可选的节点。他们现在要求,新材料内容芯片的数量继续增长随着密度和增加功能。在5 nm和超越这是显而易见的,但解决问题材料的趋势发生在市场,并非一切都是最新创建的过程节点。需要长寿在安全至上的市场,如汽车、医疗和航空电子设备,以及在工业应用,带来了材料科学的前沿半导体行业。

”的误解之一人工智能是,这都是关于算法的训练和推论,“多米尼克·米兰达说,业务发展经理在吗布鲁尔科学。“但数据的输入进入这些系统同样重要。有多个传感器在网络,工厂和城市,有一个巨大的数据量。所以数据的速度是很重要的,所以是传感器的速度来应对各种各样的数据。材料产生大影响传感器对刺激做出反应的速度。”

当前正在进行的研究,例如,在碳基技术使用碳纳米管或石墨烯作为活性层。

“你用这些设备与材料会影响传感器的行为或它可以感觉到什么,”米兰达说。“更复杂的设备,你必须处理噪音。环境噪声,如机器运行的噪声或振动。我们发现,市场在两个方向上。你可以把传感器从架子上,并将它们应用到一个系统,或者你可以使用一个面临设计自定义一个清洁的信号。”

噪音是一个日益严重的问题,尤其是在先进节点公差比老节点更紧。虽然这是一个挑战主要用于模拟数字转换电路,薄栅氧化物和增加密度10/7nm和低噪声,电磁干扰热即使在数字电路越来越棘手的问题。

3月2 d
减少设备的一个挑战是,硅,像大多数材料,本质上是三维的。即使硅层只有一个原子厚度,它还包括晃来晃去的债券,延长飞机的表面。这些债券需要钝化,以避免不良的相互作用,并介绍导致散射和降低流动载体表面粗糙度。

相比之下,没有在二维半导体平面外债券。单原子层结构“完整”和self-passivating,减少或消除短沟道效应。

利用这些有前途的结构性质可制造的设备已经有挑战性,虽然。第一个二维半导体发现,石墨烯没有带隙。在典型的操作温度下黑磷是不稳定的。相反,目前大部分的研究主要集中在过渡金属dichalcogenides像金属氧化物半导体₂,WS₂,WSe₂。数篇论文在材料研究协会春季会议4月和去年12月的IEEE会议电子设备研究了这些化合物的物理和材料科学。

图1:2 d二硫化钼。来源:麻省理工学院

简单的制作2 d材料是商业应用的第一个挑战。丰富的研究样本可以通过剥离-石墨烯被用胶带拉隔离层的大部分石墨,但制造业需求的精度和质量要求更可控的方法。

而化学汽相淀积薄层沉积是一个明显的选择,心血管疾病的二维材料比乍看起来更复杂。例如,一个2 d材料可能在衬底,但不是连着。因此,越来越多的2 d半导体通常包括蚀刻或消融成核层下面半导体单层为了孤立它。峰段,加州大学洛杉矶分校的化学和生物化学教授解释的夫人表示设备所需的多层堆栈需要仔细注意与衬底的化学兼容性,组件之间的堆栈和气体之间的过程。工艺条件,非常适合一层会导致下一层的化学或热降解。

当二维半导体异质结构成功地沉积,但结果是戏剧性的。段自动薄侧WSe的小组₂/ WS₂pn二极管,两种材料的相互作用在单个量子线。垂直堆栈,他们正在调查夹层电被动材料到现有栈。这种方法可以互相隔离层没有添加基质去除的复杂性。

简单孤立的个体层是不够的,虽然。在一个二维材料,可以防止缺陷的移动运营商完全:他们不能离开飞机找到另一条路径。报告他的光电设备上研究,阿里·贾维,电气工程和计算机科学教授加州大学伯克利分校,发现缺陷是无辐射复合中心。因此,量子产率给出了缺陷水平的合理措施。

一旦取得高质量的半导体材料,低阻联系人是下一个挑战。接触良好的电子迁移率可能阻碍洞,反之亦然。贾维集团展示了光电发射器使用交流电提供第一洞,然后电子,金属氧化物半导体中重组剥落了₂发光层。在增长,而非脱落材料、衬底的热膨胀系数可以用来控制沉积膜的应变,将带隙和排放特征。

工作在IEDM,博士生Xuejun谢和他的同事们在加州大学圣芭芭拉分校描述光敏MoS的使用₂场效应晶体管的人工视网膜装置。这样的设备可能是有用的神经形态图像识别应用程序。而记忆性横梁数组经常提出用作人工突触,他们不能直接“看到”一个图像。

捕获图像信息并将其写入横梁数组是一个潜在的重大瓶颈可能会缓解结合图像传感和分析在一个单一的设备。为此,金属金属氧化物半导体的圣芭芭拉组创建一个数组₂量子点半导体二硫化钼频道使用电子束模式。量子点吸引大量从半导体的导带电子,移动费米能级向价带。洞被困,增加阻力。电流、移动电子重组的洞,导致电阻衰减。有更多的运营商,灯是亮着的,所以设备“检测”和“记住”的明亮部分图像。

石墨烯的发现甚至14年之后,基于二维半导体设备仍处于初级阶段。

灵活的材料
在材料工程的一部分挑战这些天是超越芯片的标准格式。有一个全新的灵活的混合波电子设备,包括从薄膜温度传感器电子墨水,每个都有自己独特的属性和挑战。他们让我们很难确保这些材料按计划将在一系列新的,有时意想不到的操作条件。

“有一系列的传感器对葡萄糖、pH值、湿度和温度,诺曼Chang说,首席技术专家半导体业务单元有限元分析软件。“问题是我们锻炼与不同的热梯度解决方案组件,可能会对性能产生影响。你真的看3 d几何输入,这需要柔性衬底上的联合仿真和方案,因为他们可以影响这些设备的电气性能。这一切必须一起模拟。如果你看印刷射频、毫米波性能在不同的地区可能会有所不同。”

的一个新方法被开发被称为几何包装,即电路可以被缠绕在任何设备或甚至横跨建筑。美国空军研究实验室,例如,今年早些时候宣布,它正在开发一个灵活的电路系统与物联网传感器应用NextFlex军事和商业应用。的目标是实现可伸缩元件可以承受极高的G力和温度。

灵活的传感器也被用于水和环境检测等应用程序。“与水测试,挑战在于设计一个传感器忽略一切但什么您想要测试,”布鲁尔的米兰达说。“这并不工作与固态材料,但它与灵活的传感器。你可能听说过有些人听雅尼的视频在YouTube上和其他人听到月桂,取决于波长他们听到。但是材料可以用来确保你听听你应该听到的,他们只能用来检测你想发现什么。”

结论
强调材料工程电子正在增长,并且它将继续变得更加普遍。而设备扩展为新材料是一个明显的地方,有一群新的市场,如自主驾驶,AI, 5 g,工业和医疗应用电子发挥了过去更有限的作用。

并不是所有将使用传统的芯片,和许多有特定要求的灵活性,灵敏度和噪声信号的吞吐量。

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