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中國科學家主導的半導體領域新成果登上Nature!
2024-06-04 11:12:00
中國科學院大學
作者:

  近日,中(zhong)國(guo)科學(xue)院大(da)學(xue)教(jiao)授周武(wu)課題組與合作單位共同研究,提出了一種全新(xin)的(de)(de)基于(yu)界面(mian)耦合的(de)(de)p型(xing)摻雜二維半(ban)(ban)(ban)導(dao)(dao)體(ti)方(fang)法,打(da)破了硅基邏(luo)輯電路的(de)(de)底層“封印(yin)”,基于(yu)量子效應獲得了三維(3D)垂直集成(cheng)多層互補型(xing)晶體(ti)管電路,為后摩爾時代未來二維半(ban)(ban)(ban)導(dao)(dao)體(ti)器件的(de)(de)發展提供了思路。近日,該項由中(zhong)國(guo)科學(xue)家主導(dao)(dao)的(de)(de)半(ban)(ban)(ban)導(dao)(dao)體(ti)領域新(xin)成(cheng)果登(deng)上Nature。

  經過數十年(nian)發(fa)展,半(ban)導(dao)體工藝制程(cheng)已逐(zhu)漸逼(bi)近(jin)亞納(na)米物(wu)理極限,傳統硅(gui)基集(ji)成電(dian)路難以依(yi)靠進一步縮小晶體管面內(nei)尺寸來(lai)延(yan)續摩(mo)爾定(ding)律。發(fa)展垂直架構的(de)多(duo)層互連(lian)CMOS邏輯電(dian)路以實(shi)現三維集(ji)成技(ji)術(shu)的(de)突破,已成為國際半(ban)導(dao)體領域積(ji)極探(tan)尋(xun)的(de)新(xin)方向。在2023年(nian)12月(yue)美(mei)國舊金山召開的(de)國際電(dian)子器(qi)件會議(IEDM)中(zhong),三星(xing)、臺(tai)積(ji)電(dian)等半(ban)導(dao)體公司(si)爭(zheng)相發(fa)布(bu)相關研究計(ji)劃(hua)。

  由于硅(gui)基晶體管的(de)現(xian)代工藝采(cai)用單晶硅(gui)表面(mian)離子(zi)注(zhu)入(ru)的(de)方式,難(nan)以(yi)實現(xian)在(zai)一(yi)層(ceng)離子(zi)注(zhu)入(ru)的(de)單晶硅(gui)上方再次生(sheng)長或轉移單晶硅(gui)。雖然可以(yi)通(tong)過三維空間連接(jie)電(dian)極、芯(xin)粒等方式提(ti)高(gao)集成(cheng)(cheng)度(du),但是關鍵的(de)晶體管始終被限制在(zai)集成(cheng)(cheng)電(dian)路最底層(ceng),無(wu)法獲得厚度(du)方向的(de)自由度(du)。新材料(liao)或顛覆(fu)性原理因此成(cheng)(cheng)為備受(shou)關注(zhu)的(de)重要突破點。

  近日,中國(guo)(guo)科(ke)學(xue)(xue)院大學(xue)(xue)教授(shou)(shou)周(zhou)武課題(ti)(ti)組與山西(xi)大學(xue)(xue)教授(shou)(shou)韓拯課題(ti)(ti)組、遼寧(ning)材料實驗室副(fu)研究(jiu)員王漢文課題(ti)(ti)組、中山大學(xue)(xue)教授(shou)(shou)候仰龍課題(ti)(ti)組、中國(guo)(guo)科(ke)學(xue)(xue)院金屬研究(jiu)所研究(jiu)員李秀(xiu)艷(yan)課題(ti)(ti)組等合作(zuo),提(ti)出了一種(zhong)全新(xin)的(de)基于界面耦合的(de)p型摻雜二維半導(dao)體方法。


  該(gai)方法采用(yong)界面效應的顛(dian)覆性路線,工(gong)藝簡單、效果穩定,并(bing)且(qie)可以有效保持二維半導體本征的優異(yi)性能。

  在此基礎上(shang),該研究團隊利用(yong)垂直(zhi)堆疊的(de)方式制備了由(you)14層范(fan)德(de)華材(cai)料(liao)組成、包含(han)4個晶體管的(de)互補型邏輯(ji)門NAND以及SRAM等器(qi)件(如圖1所示)。

  這一創新方法打破(po)了硅(gui)基邏輯電路的底層“封印”,基于量子(zi)效應獲(huo)得(de)了三(san)維(3D)垂直集成多(duo)層互補型晶體管電路,為后摩爾時代(dai)未來二維半(ban)導(dao)體器件的發展提供了思路。


圖1. 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

  利用低電壓(ya)球差校正掃描透(tou)射電鏡(jing),該研究團隊(dui)對由14層(ceng)范德華(hua)材(cai)料組成的NAND器件(jian)的截面結構進行了原(yuan)子尺度的深入表征。

  分析(xi)結果表明,器件關鍵組分MoS2、CrOCl與h-BN層(ceng)之間具有原子(zi)(zi)級清晰的(de)界面,相應的(de)電(dian)子(zi)(zi)能量損(sun)失譜化(hua)學成像進(jin)一(yi)步證實了(le)這一(yi)結論(如圖(tu)2所示)。密度泛函理論計算揭示了(le)這種(zhong)界面耦(ou)合誘(you)導的(de)極(ji)性反轉(zhuan)源(yuan)于過(guo)渡金屬硫族化(hua)物(TMD)材料向CrOCl的(de)電(dian)荷轉(zhuan)移以及伴(ban)隨(sui)的(de)電(dian)子(zi)(zi)間相互作(zuo)用。

  該摻雜(za)策(ce)略預期可廣(guang)泛適用(yong)于TMD材料與具有高功函(han)數的層狀(zhuang)絕緣體之間的界面,有望推動(dong)半導體電路(lu)先進(jin)(jin)三維(wei)集(ji)成的進(jin)(jin)一步發展。


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構分析

  近日,相關研(yan)(yan)究成果以“Van der Waals polarity-engineered 3D integration of 2D complementary logic”為題在(zai)線(xian)發(fa)表(biao)于Nature。中國科學(xue)院金屬所研(yan)(yan)究生郭(guo)藝萌、博(bo)士后李(li)江旭,山東大(da)(da)學(xue)教(jiao)授詹學(xue)鵬(peng),中國科學(xue)院大(da)(da)學(xue)研(yan)(yan)究生王(wang)春雯(wen),上海科技大(da)(da)學(xue)研(yan)(yan)究生李(li)敏為論文(wen)共同第一作(zuo)者。李(li)秀艷、侯仰龍、周武、王(wang)漢(han)文(wen)、韓(han)拯為論文(wen)共同通訊作(zuo)者。北京大(da)(da)學(xue)教(jiao)授王(wang)潤聲、研(yan)(yan)究生王(wang)子瑞在(zai)TCAD仿真方(fang)面給予(yu)支(zhi)持(chi),山西大(da)(da)學(xue)教(jiao)授張靖、秦成兵在(zai)測試(shi)方(fang)面給予(yu)支(zhi)持(chi),北京大(da)(da)學(xue)教(jiao)授葉堉提供(gong)CrOCl晶體和(he)測試(shi)的協助,上海科技大(da)(da)學(xue)教(jiao)授劉健鵬(peng)為DFT計算(suan)提供(gong)支(zhi)撐。

  該研(yan)究(jiu)得到科(ke)技(ji)部納米科(ke)技(ji)重(zhong)點專項、國(guo)(guo)家自然科(ke)學(xue)基金、沈陽材料科(ke)學(xue)國(guo)(guo)家研(yan)究(jiu)中心、遼寧材料實驗(yan)室(shi)、山西大(da)(da)學(xue)量(liang)子(zi)光學(xue)與(yu)光量(liang)子(zi)器件(jian)國(guo)(guo)家重(zhong)點實驗(yan)室(shi)、北京高(gao)校卓越青(qing)年科(ke)學(xue)家計劃項目(mu)、中國(guo)(guo)科(ke)學(xue)院(yuan)穩(wen)定支持基礎研(yan)究(jiu)領域青(qing)年團隊計劃和中國(guo)(guo)科(ke)學(xue)院(yuan)大(da)(da)學(xue)電子(zi)顯(xian)微學(xue)實驗(yan)室(shi)等的資助。

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