重磅Nature：二维半导体的三维集成研究新突破

重磅Nature：二维半导体的三维集成研究新突破

一、【科学背景】

在众多优势特性中，Z维堆叠能力（原则上层数不限）被认为是半导体范德华（vdW）纳米电子学最迷人的前景之一。这种自下而上的三维（3D）vdW 可集成性方法可能为在后摩尔定律时代继续扩大晶体管规模提供了另一种方法，因为硅技术正在接近其物理极限，无法进一步缩小晶体管的横向尺寸。从最早的平面场效应晶体管到最先进的全栅极场效应晶体管，硅半导体的扩展一直遵循平面内策略。将 vdW 半导体堆叠成三维垂直电路具有挑战性，二维（2D）半导体具有优异的带隙和高载流子迁移率以及出色的静电控制能力，这使它成为了垂直三维集成的理想候选材料。然而，在应用方面，由于难以获得n型和p型极性的可控掺杂，尤其是P型掺杂的WSe₂和MoS₂，2D半导体的3D集成电路在很大程度上受到限制，这极大阻碍了互补逻辑电路自下而上的扩展。

二、【创新成果】

基于上述挑战，近期中国科学院金属研究所李秀艳研究员、中山大学侯仰龙教授、中国科学院大学周武教授、辽宁材料实验室王汉文副研究员、山西大学韩拯教授等团队联合设计了一种简单、非破坏性的掺杂方法，通过 vdW 界面耦合，以可控的方式重新配置二维半导体的载流子极性。结果发现，与通常表现出的 n 型性质不同，少层过渡金属卤化物（TMDs）（包括 MoS₂、WSe₂ 和 MoSe₂）与少层氧氯化铬（CrOCl）的界面作用会系统地转变为 p 型，MoS₂-CrOCl 杂化物在室温下的最大空穴迁移率达到约 425 cm₂ V^-1 s^-1，并显示出极佳的空气稳定性，随后，研究人员还进一步开发了基于垂直构建的互补逻辑器件并展示出优异的性能。

具体来讲，研究人员首先以二硫化钼为例，从理论上考虑了CrOCl与TMDs耦合的模型系统。通过计算电荷密度差发现MoS₂的原始状态(以及大多数TMDs)表现出n型行为，掺杂的载流子集中在界面的CrOCl一侧，在MoS₂一侧留下空穴。事实上，通过分别考虑MoS₂、CrOCl和MoS₂-CrOCl异质结构的能带结构，研究发现系统机制并不是简单的电荷转移，而是进一步结合e-e相互作用，这与此类TMD半导体的传统掺杂策略有根本不同。

图1 半导体电路的垂直扩展与平面内扩展；© Springer Nature Limited 2024

随后，研究人员通过堆叠策略构建了MoS₂-CrOCl vdW异质结构，并进行了表征工作，证实了CrOCl接口的MoS₂ 场效应晶体管表现出典型的p型半导体行为。开尔文探针力显微镜(KPFM)的测量结果进一步支持了在CrOCl界面MoS₂场效应管中存在p型掺杂特性的证据，在CrOCl界面区域，MoS₂表面电位明显降低。

图2 MoS₂-CrOCl 互补场效应晶体管的电气性能；© Springer Nature Limited 2024

随后，研究人员构建了互补逻辑电路，并对这种自下而上扩展的架构进行了基准测试，证明研究的互补逻辑电路具有高达14 vdw堆叠层的真正3D架构。进一步，研究人员利用垂直堆叠的方式，制备了由14层范德华材料组成、包含4个晶体管的互补型逻辑门NAND以及SRAM等器件，证实了提出的vdW界面耦合诱导的p型掺杂可能是设计未来三维垂直扩展器件的有效策略。

图3 实现未来二维半导体互补逻辑的三维集成逻辑； © Springer Nature Limited 2024

该研究为后摩尔时代未来2D半导体器件的发展提供了思路，以“Van der Waals polarity-engineered 3D integration of 2D complementary logic”为题发表在国际顶级期刊Nature上，引起了相关领域研究人员热议。

三、【科学启迪】

综上所述，研究人员开发了一种适用于2D半导体的简单而稳定的p型掺杂策略，可以简便地获得垂直集成兼容的互补场效应晶体管。研究材料体系中可调谐能带排列、电荷转移和电子-电子相互作用产生协同效应的系统机理研究区别于传统半导体TMDs的p型掺杂策略。基于上述掺杂方法，实现了先进的3D逻辑电路架构，并制备出了相关器件。该研究提出的极性工程p型二维半导体掺杂策略具有稳定性，适用于各种材料，因此可能为未来基于二维逻辑门的三维垂直集成电路的设计提供启发。

文献链接：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。