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，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，多家半导体公司争相发布相关研究计划。
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，很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。新材料、或颠覆性原理因此成为备受关注的重要突破点。
近日，在山西大学韩拯教授领衔下，中国科学院金属研究所李秀艳研究员、辽宁材料实验室王汉文副研究员、中山大学侯仰龙教授、中国科学院大学周武教授等参与合作，提出了一种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、并且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，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(如图1所示)。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(3D)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。
该研究成果以“Van der Waals polarity-engineered 3D integration of 2D complementary logic”为题于2024年5月29日在Nature杂志在线发表。中国科学院金属研究所郭艺萌、李江旭、山东大学詹学鹏、中国科学院大学王春雯、上海科技大学李敏为论文共同第一作者。山西大学韩拯教授、辽宁材料实验室王汉文副研究员、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为论文的共同通讯作者。北京大学王润声教授和王子瑞同学在T
CAD仿真方面给予了支持、山西大学张靖教授和秦成兵教授在测试方面给予支持、北京大学叶堉教授为本工作提供了CrOCl晶体和测试的协助、上海科技大学刘健鹏教授为本文DFT计算提供了支撑、山东大学陈杰智教授和中国科学院金属研究所孙东明研究员与陈星秋研究员在实验方面给予了支持。该研究得到国家重点研发计划纳米专项、国家自然科学基金(“第二代量子材料的构筑与操控”重大研究计划重点项目、面上项目、青年项目)、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资助。
图1. 二维半导体“向上”集成互补型逻辑电路SRAM原型器件的实现。
