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。
由于硅基晶体管的现代工艺采用单晶硅表面离子注入的方式，难以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被限制在集成电路最底层，无法获得厚度方向的自由度。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，中国科学院大学（以下简称国科大）教授周武课题组与山西大学教授韩拯课题组、辽宁材料实验室副研究员王汉文课题组、中山大学教授侯仰龙课题组、中国科学院金属研究所研究员李秀艳课题组等合作，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。该项新成果于5月29日登上Nature。
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。
在此基础上，该研究团队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。
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。
二维半导体垂直3D集成互补型逻辑电路SRAM原型器件的实现 国科大供图
利用低电压球差校正扫描透射电镜，该研究团队对由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的进一步发展。
该研究得到科技部纳米科技重点专项、国家自然科学基金、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、北京高校卓越青年科学家计划项目、中国科学院稳定支持基础研究领域青年团队计划和中国科学院大学电子显微学实验室等的资助。
相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41586-024-07438-5
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