中大新聞網訊（通訊員姚頌華）近日，中山大學/北京大學侯仰龍教授團隊與中國科學院金屬研究所、遼寧材料實驗室、山西大學、中國科學院大學等單位合作，利用化學制備的系列二維材料，提出一種全新的基于界面耦合的p-摻雜二維半導體方法。該研究成果以“Van der Waals polarity-engineered 3D integration of 2D complementary logic”為題，于5月29日在國際頂級學術期刊Nature在線發表。這是侯仰龍教授團隊在二維材料可控合成與性能調控方面，繼外爾鐵磁材料磁性調控（Nature Electronics, 6, 119, 2023）、非層狀材料可控生長模型（Nature Communications, 14, 958, 2023）等系列工作以來，又一創新研究成果。
經過數十年發展，半導體工藝制程不斷逼近亞納米物理極限，傳統硅基集成電路難以依靠進一步縮小晶體管面內尺寸來延續摩爾定律。發展垂直架構的多層互連CMOS邏輯電路，從而獲得三維（3D）集成技術的突破，是國際半導體領域積極探尋的新路徑之一。例如，在2023年12月美國舊金山召開的國際電子器件會議（IEDM）上，三星、臺積電等半導體公司爭相發布相關研究計劃。
由于硅基晶體管的現代工藝采用單晶硅表面離子注入的方式，很難實現在一層離子注入的單晶硅上方再次生長或轉移單晶硅。雖然可以通過三維空間連接電極、芯粒等方式提高集成度，但是關鍵的晶體管始終分布在最底層，無法獲得“z”方向的自由度。新材料、或顛覆性原理因此成為備受關注的重要突破點。
該研究提出的耦合方法，采用界面效應的顛覆性路線，工藝簡單、效果穩定，并且可以有效保持二維半導體本征的優異性能。進一步，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個晶體管的互補型邏輯門NAND以及SRAM等器件（見圖）。該方法打破了硅基邏輯電路的底層“封印”，基于量子效應獲得了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體器件的發展提供了思路。
二維半導體垂直3D集成互補型邏輯電路SRAM原型器件的實現
該研究得到科技部納米前沿重點專項、國家自然科學基金、沈陽材料科學國家研究中心、遼寧材料實驗室、山西大學量子光學與光量子器件國家重點實驗室、磁電功能材料與器件北京市重點實驗室等資助。中國科學院金屬研究所李秀艷研究員、中山大學/北京大學侯仰龍教授、國科大周武教授、遼寧材料實驗室王漢文副研究員、山西大學韓拯教授為論文的共同通訊作者。
