【芯版图】为延续摩尔定律提供新方向,二维半导体研究热潮持续

来源:爱集微 #二维半导体# #芯版图#
2.1w

二维材料被科学界寄予厚望,近期二维半导体研究接连取得突破。二维半导体材料被认为未来不仅可能取代硅作为半导体原料,更为延续摩尔定律提供新方向。

二维材料是指厚度约为1-3个原子层的材料,有金属、绝缘体或半导体等种类。二维材料最经典的例子是石墨烯,这种由碳原子形成的单层正六边形薄膜厚度仅约3埃(10埃等于1纳米),也是2010年诺贝尔物理学奖的主要课题。

自从2004年石墨烯发现以来,二维材料迅速在国际上引起了基础研究和应用研究的热潮。

二维半导体有望延续摩尔定律

目前已研究的可用于半导体器件使用的二维材料有:石墨烯、氮化硼(BN)、二维黑磷(BP)、二硫化钼(MoS2)、二硫化钨(WS2)、范德瓦尔斯材料等。其中,石墨烯是半金属,在导电添加剂、透明导电膜、导热、复合材料、以及光探测等方面具有应用前景,在电子器件领域替代式核心材料方面目前的应用目标还不明确。

2010年以来,以过渡金属硫族化合物为代表的原子层厚度半导体材料引起了另一波研究热潮,有望在未来信息电子器件领域发挥其自身的优势。这种新型的半导体材料具备达到物理极限的厚度,有望解决目前半导体器件领域内的一些技术瓶颈问题。研究得最好的是二硫化钼(MoS2)。另一个是二硫化钨 (WS2),它拥有比MoS2更快的速度。

硅基集成电路在过去60多年一直沿着摩尔定律的预测,朝着更小晶体管尺寸、更高集成度和更高能效的方向发展。然而,由于量子效应和界面效应的限制,硅基器件的微缩化已经接近极限。最新的国际器件与系统路线图(IRDS)预测,在2nm技术节点以下,以MoS2为代表的二维半导体将取代硅成为延续摩尔定律的新沟道材料。

二维半导体材料新突破在持续

伴随着二维材料和二维电子学的研究热潮,包括石墨烯、金属型碳纳米管和金属相过渡金属二硫族化合物等众多范德华半金属被用作二维半导体的接触材料。二维半导体具有超薄平面结构、高迁移率、柔性和表面无悬挂键等特征,并能有效克服器件微缩时的短沟道效应而成为下一代电子产品具有竞争力的候选材料。

近期,清华大学、北京大学、复旦大学、南京大学、东南大学等高校的研究团队也在二维半导体集成及材料生长方面取得突破。

在材料生长方面,由于材料生长热力学的限制,“1+1=2”的逐层生长方法难以给出均匀的双层,因此层数可控的二维半导体外延制备一直是尚未解决的难题。针对这一难题,南京大学电子科学与工程学院王欣然教授与东南大学合作,另辟蹊径,提出了衬底诱导的双层成核以及“齐头并进”的全新生长机制,在国际上首次报道了大面积均匀的双层MoS2薄膜外延生长,刷新了二维半导体器件开态电流的纪录,并满足2028年国际器件与系统路线图的技术指标。研究成果以“Uniform nucleation and epitaxy of bilayer molybdenum disulfide on sapphire”为题于2022年5月4日在线发表于《Nature》杂志。

在芯片集成制造方面,复旦大学研究团队将新型二维原子晶体引入传统的硅基芯片制造流程,实现了晶圆级异质CFET技术。2022年12月9日,复旦大学团队在《Nature》上以《硅和二硫化钼异质互补场效应晶体管》为题发表研究成果。复旦大学微电子学院周鹏教授、包文中研究员及信息科学与工程学院万景研究员创新地提出了硅基二维异质集成叠层晶体管。该技术利用成熟的后端工艺将新型二维材料集成在硅基芯片上,并利用两者高度匹配的物理特性,成功实现4英寸大规模三维异质集成互补场效应晶体管。

此前,北京大学彭海琳课题组在二维半导体超薄单晶栅介质研究中取得重要进展,实现了新型自然氧化物单晶栅介质β-Bi2SeO5的可控制备,其介电常数高达22,绝缘性能优异。二维Bi2O2Se/Bi2SeO5基顶栅场效应晶体管的栅介电层等效氧化层厚度(EOT)可微缩至0.41纳米,突破了二维电子器件超薄栅介质集成这一瓶颈。

此外,2023年1月11日,南京大学王欣然教授、施毅教授带领国际合作团队在《Nature》上发表研究成果。该科研团队通过增强半金属与二维半导体界面的轨道杂化,将单层二维半导体MoS2的接触电阻降低至42Ω·μm,超越了以化学键结合的硅基晶体管接触电阻,并接近理论量子极限,该成果解决了二维半导体应用于高性能集成电路的关键瓶颈之一。

为未来集成电路元器件尺寸的进一步微缩,相关研究突破一直在进行着。近日,清华大学物理系低维量子物理国家重点实验室博士生李炫璋在导师范守善院士和魏洋副研究员、张跃钢教授指导下,提出并发展了二维半导体的一维半金属接触。他们从实验上实现了具有亚2纳米接触长度的场效应晶体管器件。该工作为未来集成电路元器件尺寸的进一步微缩提供了新的发展思路和重要方法。

国内外公司争相布局

基于新结构、新原理的二维半导体器件以其独特的性能,有望解决硅基器件面临的“瓶颈”。国际半导体联盟在“2015国际半导体技术路线图”(ITRS)中明确指出,“在众多的解决方案中,使用二维材料看起来是非常有前途的”,国内外公司也在争相研究,持续研发布局。

英特尔

在 2022 年 IEEE 国际电子设备会议 (IEDM) 上,英特尔公布了 2D 和 3D IC 封装技术方面的研究突破。英特尔希望通过超薄“2D”材料将更多晶体管安装到单个芯片上:英特尔展示了一种使用仅3个原子厚的2D沟道材料的全栅堆叠纳米片结构,同时在室温下以低漏电流实现了双栅结构上晶体管近乎理想的开关。这是堆叠GAA晶体管和超越硅的基本限制所需的两个关键突破。此外,研究人员还揭示了对二维材料的电接触拓扑结构的首次综合分析,这可以进一步为高性能和可扩展的晶体管通道铺平道路。

台积电

2020年,台积电联手台湾交通大学成功研制出了一种全球最薄、厚度只有0.7纳米的基于氮化硼的超薄二维半导体绝缘材料,可望借此进一步开发出2纳米甚至1纳米制程的芯片。

2021年年中,台积电公布,公司与麻省理工学院(MIT)共同发表研究,首度提出利用“半金属铋”(Bi)作为二维材料的接触电极,可大幅降低电阻并提高电流,使其效能几与硅一致,有助实现未来半导体1纳米的挑战。

三星

三星电子在2020年7月6日宣布,三星高级技术学院(SAIT)的研究人员与蔚山国立科学技术学院(UNIST)和美国大学合作,发现了一种新材料,称为非晶氮化硼(a-BN)。三星表示,这项发表在《自然》杂志上的研究有可能加速下一代半导体的问世。

小结

经过近十年的发展,二维电子学已经取得了巨大进步,但在大面积单晶制备、关键器件工艺、与主流半导体技术兼容性等方面仍存在挑战。目前,国内外都在针对二维材料基础研究与工程应用中的关键问题、主要瓶颈集中力量进行攻关布局。业界学者认为,新材料和技术的开发可能还需要依赖于现有硅基材料和制程工艺,与硅融合发展,尽可能延续摩尔定律。二维材料和器件的发展也不例外,近中期还需要与硅基伴生和共生发展,再实现颠覆性技术突破。


责编: 赵碧莹
来源:爱集微 #二维半导体# #芯版图#
THE END

*此内容为集微网原创,著作权归集微网所有,爱集微,爱原创

关闭
加载

PDF 加载中...