面向高性能、低功耗的二维过渡金属硫族化合物逻辑器件与集成技术

As the dimension of Si-based transistors approaches the fundamental limit, integrated circuits face severe challenges in power consumption. Two-dimensional transition metal dichalcogenides (TMDC) such as MoS2 have unique properties such as non-zero bandgap, ultra thin channel, and high mobility. Therefore, they are promising candidates for future nano electronic devices. Based on our previous works on TMDC materials and devices, in this project, we aim to investigate the microscopic electron transport mechanisms, perform interfacial engineering to further increase the mobility, fabricate high-performance and low-power electronic devices, conceive new doping strategy and develop device integration techniques. By solving key issues in interface, contacts and doping, we hope to deliver TMDC transistors that overperform Si counterparts, with sub-60mV/dec switching characteristics, as well as CMOS integrated logic devices. Our research will lay the foundation of TMDC-based electronics.

随着硅基晶体管的尺寸逐渐接近物理极限，集成电路面临着基本物理原理和高功耗等挑战。以MoS2为代表的二维过渡金属硫族化合物（TMDC）具有非零带隙、超薄极限沟道厚度、高迁移率等特点，有望解决摩尔定律进一步向前发展的瓶颈，给“后摩尔时代”微电子器件带来新的技术变革。本项目立足于团队在TMDC材料与器件方面的前期工作基础，瞄准界面、接触、掺杂等关键问题，深入研究载流子的微观散射机制，通过界面工程继续提高、逼近理论迁移率；开发性能超越同尺度下的硅基器件的超短沟道晶体管以及具有60mV/dec以下转换特征的超低功耗负电容晶体管；提出可控掺杂的新策略，开发与主流微电子技术相融合的器件加工和集成工艺，实现具有自主知识产权、基于互补型CMOS的高性能集成逻辑器件。充分挖掘出TMDC材料和器件的潜力，为这类材料在未来微电子领域的应用奠定基础。

随着硅基晶体管的尺寸逐渐接近物理极限，集成电路面临着基本物理原理和高功耗等挑战。以MoS2为代表的二维过渡金属硫族化合物（TMDC）具有非零带隙、超薄极限沟道厚度、高迁移率等特点，被产业界认为是1 nm以下技术节点的唯一方案。项目执行期内，台积电、英特尔、IMEC等国际一线半导体大厂相继成立二维半导体研究部门，旨在争夺相关话语权。在基金委重点项目支持下，南京大学与复旦大学研究团队先于国际半导体大厂研究团队开展了系统研究，立足于团队在TMDC材料与器件方面的前期工作基础，瞄准界面、接触、掺杂等关键问题，团队开发了具有自主知识产权的关键技术：提出表面原子台阶诱导的成核机理，创新设计蓝宝石原子台阶方向，国际上率先报道可规模化制备的 2 英寸 MoS2 单晶晶圆与层数可控的双层 MoS2 大面积外延；提出有机分子缓冲层技术，率先实现 1nm 超薄介质层，解决了二维半导体介质层集成难题；创新发展了半金属欧姆接触技术，接触电阻接近量子极限，驱动电流达到1.4mA/m，晶体管性能全面国际领先；研制二维半导体应用于新型储存器的关键原型器件，打破同类型存储器读写速度极限；提出二维半导体驱动单片集成的 Micro-LED 显示技术方案，开拓了二维半导体新材料在下一代微显示技术中的应用。项目团队超额完成申请书大部分关键技术指标，相关材料、器件性能处于国际领先水平。项目执行期内，团队在顶级期刊与会议发表论文40篇，其中Nature 2篇，Nature Nanotechnology 4篇，IEEE IEDM 5篇。在项目支持下，研究团队以服务下一代集成电路发展为宗旨，挖掘TMDC材料和器件的应用潜力，突破关键科学瓶颈，发展自主知识产权新技术，为下一代集成电路革命奠定了材料、器件、工艺的关键基础。