二维半导体三维集成研究取得新成果

经过数十年发展，半导体工艺制程不断逼近亚纳米物理极限，但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，从而获得三维集成技术的突破，是国际半导体领域积极探寻的新路径之一。

由于硅基晶体管制备工艺采用单晶硅表面离子注入的方式，较难实现在一层离子注入的单晶硅上方再次生长或转移单晶硅。虽然可以通过三维空间连接电极、芯粒等方式提高集成度，但是关键的晶体管始终分布在最底层，无法获得z方向的自由度。

近日，山西大学教授韩拯、中国科学院金属研究所研究员李秀艳、辽宁材料实验室副研究员王汉文、中山大学教授侯仰龙、中国科学院大学教授周武等合作，提出了全新的基于界面耦合（理论表明量子效应在其中起到关键作用）的p-掺杂二维半导体方法。该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。进一步，利用垂直堆叠的方式，该研究制备了由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。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，为后摩尔时代未来二维半导体器件的发展提供了思路。

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5月29日，相关研究成果以Van der Waals polarity-engineered 3D integration of 2D complementary logic为题在线发表在《自然》（Nature）上。研究工作得到国家重点研发计划纳米专项、国家自然科学基金以及沈阳材料科学国家研究中心、辽宁材料实验室、山西大学量子光学与光量子器件国家重点实验室等的支持。

论文链接：https://www.cas.cn/syky/202406/t20240605_5016756.shtml