近日，中國科學(xué)院大學(xué)教授周武課題組與合作單位共同研究，提出了一種全新的基于界面耦合的p型摻雜二維半導(dǎo)體方法，打破了硅基邏輯電路的底層“封印”，基于量子效應(yīng)獲得了三維(3D)垂直集成多層互補型晶體管電路，為后摩爾時代未來二維半導(dǎo)體器件的發(fā)展提供了思路。近日，該項由中國科學(xué)家主導(dǎo)的半導(dǎo)體領(lǐng)域新成果登上Nature。

　　經(jīng)過數(shù)十年發(fā)展，半導(dǎo)體工藝制程已逐漸逼近亞納米物理極限，傳統(tǒng)硅基集成電路難以依靠進(jìn)一步縮小晶體管面內(nèi)尺寸來延續(xù)摩爾定律。發(fā)展垂直架構(gòu)的多層互連CMOS邏輯電路以實現(xiàn)三維集成技術(shù)的突破，已成為國際半導(dǎo)體領(lǐng)域積極探尋的新方向。在2023年12月美國舊金山召開的國際電子器件會議(IEDM)中，三星、臺積電等半導(dǎo)體公司爭相發(fā)布相關(guān)研究計劃。

　　由于硅基晶體管的現(xiàn)代工藝采用單晶硅表面離子注入的方式，難以實現(xiàn)在一層離子注入的單晶硅上方再次生長或轉(zhuǎn)移單晶硅。雖然可以通過三維空間連接電極、芯粒等方式提高集成度，但是關(guān)鍵的晶體管始終被限制在集成電路最底層，無法獲得厚度方向的自由度。新材料或顛覆性原理因此成為備受關(guān)注的重要突破點。

　　近日，中國科學(xué)院大學(xué)教授周武課題組與山西大學(xué)教授韓拯課題組、遼寧材料實驗室副研究員王漢文課題組、中山大學(xué)教授候仰龍課題組、中國科學(xué)院金屬研究所研究員李秀艷課題組等合作，提出了一種全新的基于界面耦合的p型摻雜二維半導(dǎo)體方法。

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　　該方法采用界面效應(yīng)的顛覆性路線，工藝簡單、效果穩(wěn)定，并且可以有效保持二維半導(dǎo)體本征的優(yōu)異性能。

　　在此基礎(chǔ)上，該研究團(tuán)隊利用垂直堆疊的方式制備了由14層范德華材料組成、包含4個晶體管的互補型邏輯門NAND以及SRAM等器件(如圖1所示)。

　　這一創(chuàng)新方法打破了硅基邏輯電路的底層“封印”，基于量子效應(yīng)獲得了三維(3D)垂直集成多層互補型晶體管電路，為后摩爾時代未來二維半導(dǎo)體器件的發(fā)展提供了思路。

圖1. 二維半導(dǎo)體垂直3D集成互補型邏輯電路SRAM原型器件的實現(xiàn)

　　利用低電壓球差校正掃描透射電鏡，該研究團(tuán)隊對由14層范德華材料組成的NAND器件的截面結(jié)構(gòu)進(jìn)行了原子尺度的深入表征。

　　分析結(jié)果表明，器件關(guān)鍵組分MoS2、CrOCl與h-BN層之間具有原子級清晰的界面，相應(yīng)的電子能量損失譜化學(xué)成像進(jìn)一步證實了這一結(jié)論(如圖2所示)。密度泛函理論計算揭示了這種界面耦合誘導(dǎo)的極性反轉(zhuǎn)源于過渡金屬硫族化物(TMD)材料向CrOCl的電荷轉(zhuǎn)移以及伴隨的電子間相互作用。

　　該摻雜策略預(yù)期可廣泛適用于TMD材料與具有高功函數(shù)的層狀絕緣體之間的界面，有望推動半導(dǎo)體電路先進(jìn)三維集成的進(jìn)一步發(fā)展。

圖2. 包含14個范德華材料層的三維集成邏輯電路的原子尺度結(jié)構(gòu)分析

　　近日，相關(guān)研究成果以“Van der Waals polarity-engineered 3D integration of 2D complementary logic”為題在線發(fā)表于Nature。中國科學(xué)院金屬所研究生郭藝萌、博士后李江旭，山東大學(xué)教授詹學(xué)鵬，中國科學(xué)院大學(xué)研究生王春雯，上?？萍即髮W(xué)研究生李敏為論文共同第一作者。李秀艷、侯仰龍、周武、王漢文、韓拯為論文共同通訊作者。北京大學(xué)教授王潤聲、研究生王子瑞在TCAD仿真方面給予支持，山西大學(xué)教授張靖、秦成兵在測試方面給予支持，北京大學(xué)教授葉堉提供CrOCl晶體和測試的協(xié)助，上海科技大學(xué)教授劉健鵬為DFT計算提供支撐。

　　該研究得到科技部納米科技重點專項、國家自然科學(xué)基金、沈陽材料科學(xué)國家研究中心、遼寧材料實驗室、山西大學(xué)量子光學(xué)與光量子器件國家重點實驗室、北京高校卓越青年科學(xué)家計劃項目、中國科學(xué)院穩(wěn)定支持基礎(chǔ)研究領(lǐng)域青年團(tuán)隊計劃和中國科學(xué)院大學(xué)電子顯微學(xué)實驗室等的資助。