中大新聞網(wǎng)訊（通訊員姚頌華）近日，中山大學(xué)/北京大學(xué)侯仰龍教授團(tuán)隊(duì)與中國(guó)科學(xué)院金屬研究所、遼寧材料實(shí)驗(yàn)室、山西大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院大學(xué)等單位合作，利用化學(xué)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(dǎo)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(guó)際頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊Nature在線發(fā)表。這是侯仰龍教授團(tuán)隊(duì)在二維材料可控合成與性能調(diào)控方面，繼外爾鐵磁材料磁性調(diào)控（Nature Electronics, 6, 119, 2023）、非層狀材料可控生長(zhǎng)模型（Nature Communications, 14, 958, 2023）等系列工作以來(lái)，又一創(chuàng)新研究成果。
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（3D）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。例如，在2023年12月美國(guó)舊金山召開的國(guó)際電子器件會(huì)議（IEDM）上，三星、臺(tái)積電等半導(dǎo)體公司爭(zhēng)相發(fā)布相關(guān)研究計(jì)劃。
由于硅基晶體管的現(xiàn)代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)。
該研究提出的耦合方法，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（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(yīng)獲得了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。
二維半導(dǎo)體垂直3D集成互補(bǔ)型邏輯電路SRAM原型器件的實(shí)現(xiàn)
該研究得到科技部納米前沿重點(diǎn)專項(xiàng)、國(guó)家自然科學(xué)基金、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、磁電功能材料與器件北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室等資助。中國(guó)科學(xué)院金屬研究所李秀艷研究員、中山大學(xué)/北京大學(xué)侯仰龍教授、國(guó)科大周武教授、遼寧材料實(shí)驗(yàn)室王漢文副研究員、山西大學(xué)韓拯教授為論文的共同通訊作者。
