南京大學電子科學與工程學院王欣然教授、施毅教授帶領(lǐng)的團隊在二維半導(dǎo)體集成電路領(lǐng)域取得突破性進展。通過設(shè)計-工藝協(xié)同優(yōu)化（DTCO），開發(fā)出空氣隔墻晶體管結(jié)構(gòu)，大幅降低寄生電容，在國際上首次實現(xiàn)了GHz頻率的二維半導(dǎo)體環(huán)形振蕩器電路，比原有記錄提升200倍，并預(yù)測了二維半導(dǎo)體應(yīng)用于1nm節(jié)點集成電路的潛力與技術(shù)路徑。

由于短溝道效應(yīng)，硅基互補金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）器件的微縮化越來越具有挑戰(zhàn)性。以MoS2為代表的二維過渡金屬二硫?qū)倩?(TMD) 具有原子級超薄厚度、高載流子遷移率和免疫短溝道效應(yīng)等優(yōu)點，是亞1nm節(jié)點集成電路的重要候選材料。相對于硅溝道材料，單層TMD可以維持晶體管尺寸進一步縮小，滿足國際器件和系統(tǒng)路線圖 (IRDS)設(shè)定的目標。過去10余年，盡管TMD材料生長和場效應(yīng)晶體管器件取得了系列重大進展，但是高頻集成電路的開發(fā)仍然是一個挑戰(zhàn)，基于TMD的集成電路工作頻率迄今為止僅限于MHz，遠遠低于硅基CMOS以及碳納米管等技術(shù)，成為限制二維材料走向集成電路應(yīng)用的關(guān)鍵瓶頸之一。

面對上述挑戰(zhàn)，王欣然、施毅教授領(lǐng)導(dǎo)的國際合作團隊將DTCO應(yīng)用于二維器件領(lǐng)域，進行多項突破創(chuàng)新。團隊在MoS2場效應(yīng)晶體管中創(chuàng)新性引入空氣隔墻（Air-gap）結(jié)構(gòu)，不僅避免了對接觸部分進行摻雜的額外工藝步驟，更重要的是大幅度降低器件的寄生電容。根據(jù)TCAD模型計算，引入空氣隔墻的器件結(jié)構(gòu)與沒有隔墻的結(jié)構(gòu)相比，寄生電容降低了34%。同時結(jié)合團隊之前報道的半金屬Sb(011?2)接觸技術(shù)（點擊了解：新年首篇《Nature》！南大團隊在二維半導(dǎo)體領(lǐng)域取得新突破），在降低寄生電容的基礎(chǔ)上保持了高性能：本次報道的空氣隔墻晶體管具有同等尺寸器件中的最高電流密度。為了獲得低延遲高頻率的電路，團隊對器件結(jié)構(gòu)進行了TCAD建模仿真，獲得了接觸重疊長度、摻雜水平等重要參數(shù)的最優(yōu)設(shè)計區(qū)間。基于器件工藝和TCAD模型的DTCO，團隊成功在大面積單層MoS2上實現(xiàn)了GHz頻率的五級環(huán)形振蕩電路陣列，平均工作頻率達2.1GHz，最高工作頻率達2.65GHz，對應(yīng)單級反向器延遲降低至37ps。（圖1）

圖1 基于空氣隔墻結(jié)構(gòu)的高性能場效應(yīng)晶體管和環(huán)形振蕩器

圖2 晶圓級二維半導(dǎo)體環(huán)形振蕩器陣列

該工作不僅首次實現(xiàn)了GHz二維半導(dǎo)體集成電路，而且展示了DTCO在減少非理想寄生效應(yīng)、在眾多權(quán)衡中找到性能/功耗/面積最優(yōu)解的關(guān)鍵作用，為高性能二維集成電路發(fā)展指明了方向。相關(guān)工作以“Two-dimensional semiconductor integrated circuits operating at gigahertz frequencies”為題發(fā)表在《自然?電子學》期刊。

該工作由南京大學、蘇州實驗室等單位共同完成，南京大學為第一作者單位，電子科學與工程學院2019級博士生范東旭、李衛(wèi)勝博士和邱浩副教授是論文的共同第一作者，王欣然教授、邱浩副教授為論文共同通訊作者，施毅教授對該工作進行了深入指導(dǎo)。研究得到了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金、江蘇省前沿引領(lǐng)技術(shù)基礎(chǔ)研究、新基石科學基金會所設(shè)立的科學探索獎等項目的資助，以及南京大學微制造與集成工藝中心的大力支持。

論文鏈接（點擊文末“閱讀原文”可查看全文）：

https://www.nature.com/articles/s41928-023-01052-5

(來源：科技處 電子科學與工程學院)