南京大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院王欣然教授、施毅教授帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)在二維半導(dǎo)體集成電路領(lǐng)域取得突破性進(jìn)展。通過設(shè)計(jì)-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(guó)際上首次實(shí)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(cè)了二維半導(dǎo)體應(yīng)用于1nm節(jié)點(diǎn)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(bǔ)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(jí)超薄厚度、高載流子遷移率和免疫短溝道效應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)，是亞1nm節(jié)點(diǎn)集成電路的重要候選材料。相對(duì)于硅溝道材料，單層TMD可以維持晶體管尺寸進(jìn)一步縮小，滿足國(guó)際器件和系統(tǒng)路線圖 (IRDS)設(shè)定的目標(biāo)。過去10余年，盡管TMD材料生長(zhǎng)和場(chǎng)效應(yīng)晶體管器件取得了系列重大進(jìn)展，但是高頻集成電路的開發(fā)仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)，基于TMD的集成電路工作頻率迄今為止僅限于MHz，遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(duì)上述挑戰(zhàn)，王欣然、施毅教授領(lǐng)導(dǎo)的國(guó)際合作團(tuán)隊(duì)將DTCO應(yīng)用于二維器件領(lǐng)域，進(jìn)行多項(xiàng)突破創(chuàng)新。團(tuán)隊(duì)在MoS2場(chǎng)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(duì)接觸部分進(jìn)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(jì)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(shí)結(jié)合團(tuán)隊(duì)之前報(bào)道的半金屬Sb(011?2)接觸技術(shù)(點(diǎn)擊了解：新年首篇《Nature》!南大團(tuán)隊(duì)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(bào)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(tuán)隊(duì)對(duì)器件結(jié)構(gòu)進(jìn)行了TCAD建模仿真，獲得了接觸重疊長(zhǎng)度、摻雜水平等重要參數(shù)的最優(yōu)設(shè)計(jì)區(qū)間。基于器件工藝和TCAD模型的DTCO，團(tuán)隊(duì)成功在大面積單層MoS2上實(shí)現(xiàn)了GHz頻率的五級(jí)環(huán)形振蕩電路陣列，平均工作頻率達(dá)2.1GHz，最高工作頻率達(dá)2.65GHz，對(duì)應(yīng)單級(jí)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(chǎng)效應(yīng)晶體管和環(huán)形振蕩器

該工作不僅首次實(shí)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(xué)》期刊。

該工作由南京大學(xué)、蘇州實(shí)驗(yàn)室等單位共同完成，南京大學(xué)為第一作者單位，電子科學(xué)與工程學(xué)院2019級(jí)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(duì)該工作進(jìn)行了深入指導(dǎo)。研究得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、江蘇省前沿引領(lǐng)技術(shù)基礎(chǔ)研究、新基石科學(xué)基金會(huì)所設(shè)立的科學(xué)探索獎(jiǎng)等項(xiàng)目的資助，以及南京大學(xué)微制造與集成工藝中心的大力支持。

審核編輯：湯梓紅