【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】經(jīng)過(guò)數(shù)十年發(fā)展，半導(dǎo)體工藝制程不斷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(lái)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，從而獲得三維集成技術(shù)的突破，是國(guó)際半導(dǎo)體領(lǐng)域積極探尋的新路徑之一，多家半導(dǎo)體公司爭(zhēng)相發(fā)布相關(guān)研究計(jì)劃。
 

　　由于硅基晶體管制備工藝采用單晶硅表面離子注入的方式，很難實(shí)現(xiàn)在一層離子注入的單晶硅上方再次生長(zhǎng)或轉(zhuǎn)移單晶硅。雖然可以通過(guò)三維空間連接電極、芯粒等方式提高集成度，但是關(guān)鍵的晶體管始終分布在最底層，無(wú)法獲得z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(diǎn)。
 

　　近日，在山西大學(xué)韓拯教授領(lǐng)銜下，中國(guó)科學(xué)院金屬研究所李秀艷研究員、遼寧材料實(shí)驗(yàn)室王漢文副研究員、中山大學(xué)侯仰龍教授、中國(guó)科學(xué)院大學(xué)周武教授等參與合作，提出了一種全新的基于界面耦合(理論表明量子效應(yīng)在其中起到關(guān)鍵作用)的p-摻雜二維半導(dǎo)體方法。該方法采用界面效應(yīng)的顛覆性路線，工藝簡(jiǎn)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。進(jìn)一步，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(gè)晶體管的互補(bǔ)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(bǔ)型晶體管電路，為后摩爾時(shí)代未來(lái)二維半導(dǎo)體器件的發(fā)展提供了思路。
 

　　該研究成果以“Van der Waals polarity-engineered 3D integration of 2D complementary logic”為題于2024年5月29日在Nature雜志在線發(fā)表。中國(guó)科學(xué)院金屬研究所郭藝萌、李江旭、山東大學(xué)詹學(xué)鵬、中國(guó)科學(xué)院大學(xué)王春雯、上海科技大學(xué)李敏為論文共同第一作者。山西大學(xué)韓拯教授、遼寧材料實(shí)驗(yàn)室王漢文副研究員、中國(guó)科學(xué)院金屬研究所李秀艷研究員、中山大學(xué)侯仰龍教授、中國(guó)科學(xué)院大學(xué)周武教授為論文的共同通訊作者。北京大學(xué)王潤(rùn)聲教授和王子瑞同學(xué)在TCAD仿真方面給予了支持、山西大學(xué)張靖教授和秦成兵教授在測(cè)試方面給予支持、北京大學(xué)葉堉教授為本工作提供了CrOCl晶體和測(cè)試的協(xié)助、上海科技大學(xué)劉健鵬教授為本文DFT計(jì)算提供了支撐、山東大學(xué)陳杰智教授和中國(guó)科學(xué)院金屬研究所孫東明研究員與陳星秋研究員在實(shí)驗(yàn)方面給予了支持。該研究得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃納米專項(xiàng)、國(guó)家自然科學(xué)基金(“第二代量子材料的構(gòu)筑與操控”重大研究計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目、面上項(xiàng)目、青年項(xiàng)目)、沈陽(yáng)材料科學(xué)國(guó)家研究中心、遼寧材料實(shí)驗(yàn)室、山西大學(xué)量子光學(xué)與光量子器件國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室等資助。
 

圖1. 二維半導(dǎo)體“向上”集成互補(bǔ)型邏輯電路SRAM原型器件的實(shí)現(xiàn)。