重磅Nature：二維半導體的三維集成研究新突破

重磅Nature：二維半導體的三維集成研究新突破

一、【科學背景】

在眾多優勢特性中，Z維堆疊能力（原則上層數不限）被認為是半導體范德華（vdW）納米電子學最迷人的前景之一。這種自下而上的三維（3D）vdW 可集成性方法可能為在后摩爾定律時代繼續擴大晶體管規模提供了另一種方法，因為硅技術正在接近其物理極限，無法進一步縮小晶體管的橫向尺寸。從最早的平面場效應晶體管到最先進的全柵極場效應晶體管，硅半導體的擴展一直遵循平面內策略。將 vdW 半導體堆疊成三維垂直電路具有挑戰性，二維（2D）半導體具有優異的帶隙和高載流子遷移率以及出色的靜電控制能力，這使它成為了垂直三維集成的理想候選材料。然而，在應用方面，由于難以獲得n型和p型極性的可控摻雜，尤其是P型摻雜的WSe₂和MoS₂，2D半導體的3D集成電路在很大程度上受到限制，這極大阻礙了互補邏輯電路自下而上的擴展。

二、【創新成果】

基于上述挑戰，近期中國科學院金屬研究所李秀艷研究員、中山大學侯仰龍教授、中國科學院大學周武教授、遼寧材料實驗室王漢文副研究員、山西大學韓拯教授等團隊聯合設計了一種簡單、非破壞性的摻雜方法，通過 vdW 界面耦合，以可控的方式重新配置二維半導體的載流子極性。結果發現，與通常表現出的 n 型性質不同，少層過渡金屬鹵化物（TMDs）（包括 MoS₂、WSe₂ 和 MoSe₂）與少層氧氯化鉻（CrOCl）的界面作用會系統地轉變為 p 型，MoS₂-CrOCl 雜化物在室溫下的最大空穴遷移率達到約 425 cm₂ V^-1 s^-1，并顯示出極佳的空氣穩定性，隨后，研究人員還進一步開發了基于垂直構建的互補邏輯器件并展示出優異的性能。

具體來講，研究人員首先以二硫化鉬為例，從理論上考慮了CrOCl與TMDs耦合的模型系統。通過計算電荷密度差發現MoS₂的原始狀態(以及大多數TMDs)表現出n型行為，摻雜的載流子集中在界面的CrOCl一側，在MoS₂一側留下空穴。事實上，通過分別考慮MoS₂、CrOCl和MoS₂-CrOCl異質結構的能帶結構，研究發現系統機制并不是簡單的電荷轉移，而是進一步結合e-e相互作用，這與此類TMD半導體的傳統摻雜策略有根本不同。

圖1 半導體電路的垂直擴展與平面內擴展；? Springer Nature Limited 2024

隨后，研究人員通過堆疊策略構建了MoS₂-CrOCl vdW異質結構，并進行了表征工作，證實了CrOCl接口的MoS₂ 場效應晶體管表現出典型的p型半導體行為。開爾文探針力顯微鏡(KPFM)的測量結果進一步支持了在CrOCl界面MoS₂場效應管中存在p型摻雜特性的證據，在CrOCl界面區域，MoS₂表面電位明顯降低。

圖2 MoS₂-CrOCl 互補場效應晶體管的電氣性能；? Springer Nature Limited 2024

隨后，研究人員構建了互補邏輯電路，并對這種自下而上擴展的架構進行了基準測試，證明研究的互補邏輯電路具有高達14 vdw堆疊層的真正3D架構。進一步，研究人員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，證實了提出的vdW界面耦合誘導的p型摻雜可能是設計未來三維垂直擴展器件的有效策略。

圖3 實現未來二維半導體互補邏輯的三維集成邏輯； ? Springer Nature Limited 2024

該研究為后摩爾時代未來2D半導體器件的發展提供了思路，以“Van der Waals polarity-engineered 3D integration of 2D complementary logic”為題發表在國際頂級期刊Nature上，引起了相關領域研究人員熱議。

三、【科學啟迪】

綜上所述，研究人員開發了一種適用于2D半導體的簡單而穩定的p型摻雜策略，可以簡便地獲得垂直集成兼容的互補場效應晶體管。研究材料體系中可調諧能帶排列、電荷轉移和電子-電子相互作用產生協同效應的系統機理研究區別于傳統半導體TMDs的p型摻雜策略。基于上述摻雜方法，實現了先進的3D邏輯電路架構，并制備出了相關器件。該研究提出的極性工程p型二維半導體摻雜策略具有穩定性，適用于各種材料，因此可能為未來基于二維邏輯門的三維垂直集成電路的設計提供啟發。

文獻鏈接：Van der Waals polarity-engineered 3D integration of 2D complementary logic，2024，https://doi.org/10.1038/s41586-024-07438-5）

本文由LWB供稿。