Chip:半导体的机器学习

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Chip:半导体的机器学习

近日，中国科学院半导体研究所魏钟鸣和刘端阳、中国科学院计算机网络信息中心汪洋、中国科学院上海微系统与信息技术研究所俞文杰和魏星合作以「Machine learning for semiconductors」为题在Chip上发表长篇综述论文，系统总结了用于新型半导体材料研发及制造的机器学习的进展，并展望了发展前景。

随着集成电路制造技术的飞速发展，半导体器件的特征尺寸越来越小、结构从2D平面结构演进到3D立体结构，对相关的材料和工艺也提出了越来越苛刻的制备与加工要求。超大规模集成电路制造工艺有近千个步骤，包含的元素数从最初的十余种扩展到目前的六十余种。集成电路制造技术每前进一步都对材料的性能提出新的要求，材料技术的每一次发展也都为集成电路新结构、新器件的开发创造新的空间。据估算，当前集成电路制造所需的核心关键材料有上百种，材料对先进制程芯片性能提升的贡献已超过六成。作为基础材料，器件尺寸的缩小也对晶圆的质量，如纯度和表面平整度等提出更高的要求，传统以实验试错为主的研究方法已经越来越难以满足要求。

另一方面，计算物理为科研人员积累了大量材料的组成元素、晶体结构和力学、热学、光学和电磁学等多方面性质的数据。近年来，以数据为驱动的机器学习方法在材料筛选和性能预测中得到了越来越多的应用。通过机器学习建模，对材料的组成、晶体结构参数和物理化学性质之间的关系进行学习，从而可以对类似材料的性质进行预测，对材料进行快速的大规模筛选。在该综述论文中，作者撰写了机器学习在半导体材料及工艺应用方面的综述论文作者首先介绍了与半导体领域机器学习相关的发展历程，然后对各种常用算法的原理及其在半导体领域的主要应用进行了详细的介绍，接着对算法各流程中的要点进行了着重介绍，然后对近年来的代表性研究进展进行介绍，最后对目前该领域的发展现状做了总结，并对机器学习在半导体领域的应用前景做了展望。

该综述论文系统地总结了数据采样收集、特征工程、研究问题和算法匹配性、模型选择等机器学习过程在半导体材料及工艺中的应用、所面临的各方面挑战。并分别从半导体材料和半导体工艺优化两个角度，对目前机器学习应用的问题和研究进展进行了详细的介绍，描述了半导体研究和机器学习方法应用之间的桥梁。该论文对从事半导体材料和半导体工艺优化研究的科研人员具有较高的参考价值。

出版信息

标题:

Machine learning for semiconductors

出版信息:

Chip，10 December 2022

DOI:

10.1016/j.chip.2022.100033

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Chip发表云南大学邱锋、曹建云综述论文：二位材料MoS2及其异质结光电探测器

云南大学邱锋、曹建云团队的综述论文以「Photodetectors based on two-dimensional MoS₂ and its assembled heterostructures」为题在Chip上发表，第一作者为胡涛，通讯作者为邱锋和曹建云。

该综述论文全面介绍了二维材料MoS₂的光电特性及其异质结光电探测器的研究进展。近年来，由于其具有灵活和稳定的制备方法、层数可调的物性、可调节的光电响应、范德华组装等优势，MoS₂在光电探测器领域已经成为一个研究的热点。

基于MoS₂的光电探测器及阵列器件的研制，也助推二维材料集成电路的开发；例如，台积电已开始布局基于二维半导体MoS₂，集成二维绝缘材料BN与二维金属石墨烯，构建二维材料集成电路。但MoS₂较弱的光吸收（5%-10%）、较短的载流子寿命、缺陷诱导的持续光电导等限制了MoS₂光电器件的性能。除了常规的界面工程、能带工程、过程控制工程等调控因素外，层数控制工程与化学掺杂工程，给灵活的器件设计提供关键的调控手段。其中，层数控制工程可调控带隙类型、载流子浓度、比表面积、激子束缚能、宽带吸收等；化学掺杂可调控能级排列、缺陷类型与晶体完整性、界面态及低功耗输运等。为了开发高灵敏度、宽带检测、高速响应、低功耗、大规模二维集成电路及其协同的新型光电探测器，MoS₂可同多维度材料的范德华集成，并基于光伏效应、光电导效应、光栅效应（photogating effect）等物理效应，构建高灵敏、快速响应、低功耗新型器件。但在材料制备及器件构建领域，还存在诸多关键技术亟需攻克，如高质量大面积的制备技术与高质量可靠的转移技术、高灵敏与快速响应的协同、宽带探测、低功耗集成电路构建等。这些技术的发展，将为未来二维器件的构建和调控提供方向。

本文探讨了层数控制工程、化学掺杂工程等关键器件调控策略。单层MoS₂是直接带隙，电子激发不需声子参与，因而光电效率高。随着MoS₂层数的增加，层间耦合作用不断增强，但量子限制效应2-4减弱，直接带隙也变为间接带隙。层数调控界面耦合，也能解决石墨烯零带隙的不足，实现低的截止电流与高开关比，在高灵敏器件领域有广泛的应用。而且，通过化学掺杂工程可实现对MoS₂导电特性和带隙以及PN结界面特性的调控。化学掺杂工程同时可实现可控的层间掺杂，从而赋予MoS₂光电探测器在光致发光、光吸收等方面独特的物理特性。

MoS₂具备从可见到近红外的光谱响应范围，有替代Si基器件的光电探测潜力。而且MoS₂无表面悬挂键，能以范德华力（Van der Waals forces）与任意维度（nD）材料（0D量子点、1D碳纳米管、2D、3D薄膜）组装，可突破常规半导体异质结的大晶格失配瓶颈，进而开发性能独特的复合结构。并且，MoS₂光电探测器具备可调控的能带排列、增强光子吸收能力、抑制噪声电流等性质，可以用于设计特殊功能的演示器件等，进而开发出低功耗高灵敏快速响应的光电探测器件。因此，MoS₂的异质结器件组装，可降低器件设计门槛，使得新型器件构建像堆积木一样简单。

出版信息

标题:

Photodetectors based on two-dimensional MoS2 and its assembled heterostructures

出版信息:

Chip，18 July 2022

DOI:

10.1016/j.chip.2022.100017

转自：“科研之友 ScholarMate”微信公众号

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