新方法打破硅基逻辑电路底层“封印”

中国科学院大学教授周武课题组与多家单位合作，提出了一种全新的基于界面耦合的p型掺杂二维半导体方法。这一创新方法打破了硅基逻辑电路的底层“封印”，基于量子效应获得了三维垂直集成多层互补型晶体管电路，为后摩尔时代二维半导体器件的发展提供了思路。相关研究近日发表于《自然》。

经过数十年发展，半导体工艺制程已逐渐逼近亚纳米物理极限，传统硅基集成电路难以依靠进一步缩小晶体管面内尺寸来延续摩尔定律。发展垂直架构的多层互连CMOS逻辑电路以实现三维集成技术的突破，已成为国际半导体领域积极探寻的新方向。

研究团队提出的新方法采用界面效应的颠覆性路线，工艺简单、效果稳定，可以有效保持二维半导体本征的优异性能。在此基础上，他们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。

利用低电压球差校正扫描透射电镜，研究团队对由14层范德华材料组成的NAND器件的截面结构进行了原子尺度的深入表征。分析结果表明，器件关键组分MoS₂、CrOCl与h-BN层之间具有原子级清晰的界面。相应的电子能量损失谱化学成像进一步证实了这一结论。密度泛函理论计算揭示了这种界面耦合诱导的极性反转源于过渡金属硫族化物（TMD）材料向CrOCl的电荷转移以及伴随的电子间相互作用。

该掺杂策略预期可广泛适用于TMD材料与具有高功函数的层状绝缘体之间的界面，有望推动半导体电路先进三维集成进一步发展。

相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41586-024-07438-5