二维半导体和晶体管在未来集成电路中的应用

二维半导体和晶体管在未来集成电路中的应用

引用

CSDN

1.

https://blog.csdn.net/monian000/article/details/136949402

随着硅晶体管接近物理极限，二维半导体因其独特的性质和潜力，成为超越摩尔定律电子学发展的热点。本文综述了二维半导体和晶体管在集成电路中的应用，从材料特性、制备方法、器件应用到未来展望，全面展示了这一前沿技术的最新进展和挑战。

图1：CMOS晶体管的演变

二维半导体的特性与优势

二维半导体具有超薄厚度、原子级平坦度和优异的电子性质，这些特性使其在缩小短通道效应（SCEs）和解决三维体半导体缩放问题方面具有天然优势。具体优势包括：

1. 高电子迁移率：二维半导体通常具有高电子迁移率，这意味着电子可以在材料中快速移动，从而提高晶体管的开关速度和整体性能。
2. 薄的通道：二维材料的厚度可以小于10纳米，这种超薄的通道有助于减少短通道效应（SCEs），如阈值电压（VT）卷落、漏电流和热载流子效应，从而提高晶体管的稳定性和能效。
3. 低接触电阻：二维半导体的表面干净、无悬挂键，这有助于形成低接触电阻的金属-半导体接触，从而提高晶体管的导电性能。
4. 范德华异质结构：二维半导体可以与其他二维材料形成范德华异质结构（vdWHs），这种自由组合不受晶格匹配限制，为实现设备功能扩展和探索非传统器件概念提供了更广泛的平台。
5. 高均匀性和可扩展性：通过化学气相沉积（CVD）等方法制备的二维半导体可以实现大面积均匀生长，这对于大规模集成电路的制造至关重要。
6. 机械柔韧性：二维半导体的机械柔韧性使其能够应用于柔性电子和可穿戴设备，这些设备可以在弯曲或折叠时保持性能。
7. 电子特性的可调性：通过掺杂、界面工程和电场调控等手段，可以调节二维半导体的电子特性，以满足特定应用的需求。
8. 低功耗：二维半导体晶体管可以实现低功耗操作，这对于移动设备和物联网应用中的能源效率至关重要。
9. 集成度高：二维半导体的小尺寸和高集成度有助于制造更小型、更密集的集成电路，从而提高芯片的性能和功能。

二维半导体材料分类

二维半导体材料主要包括以下几类：

1. 单元素晶体（single-element crystals）：如石墨烯（graphene）和黑磷（black phosphorus）。
2. 六方氮化硼（hexagonal boron nitride, h-BN）。
3. 过渡金属硫化物（transition metal chalcogenides, TMCs），例如二硫化钼（MoS2）和二硒化钨（WSe2）。
4. 主族金属硫化物（main group metal chalcogenides, MMCs），如硒化铟（In2Se3）和砷化镓（GaTe）。
5. 氧化物/氢氧化物（oxides/hydroxides），如二氧化锰（MnO2）和云母（mica）。
6. 另一种类型的二维拉链材料（zipper materials），没有范德华间隙的相邻层之间，例如Bi2O2X（X = S, Se, Te）。

图2：二维范德华材料的性质和结构

二维半导体材料的制备方法

二维半导体材料的制备方法主要分为两大类：自上而下（top-down）和自下而上（bottom-up）的方法。

自上而下的方法

• 机械剥离（mechanical exfoliation）：通过外部力量克服3D材料层间弱的范德华力，从而分离出单层或少层的二维材料。
• 液体剥离（liquid exfoliation）：利用化学或超声方法在溶液中剥离材料，以获得二维材料的分散液。

这些方法操作简单，但受限于样品尺寸小、产量低和可控性差。此外，对于层间结合能高的二维材料，剥离难度相对较大。

自下而上的方法

• 化学气相沉积（chemical vapor deposition, CVD）：通过含所需原子的前驱体之间的化学反应，在各种基底上生长二维材料。
• 金属有机化学气相沉积（metal-organic CVD, MOCVD）：使用金属有机化合物作为前驱体，在高温下进行气相沉积，以生长二维材料。
• 分子束外延（molecular beam epitaxy, MBE）：利用真空中的分子束在单晶基底上外延生长高质量的二维材料。
• 脉冲激光沉积（pulsed laser deposition, PLD）：通过激光溅射靶材，将材料沉积在基底上形成薄膜。
• 原子层沉积（atomic layer deposition, ALD）：在低温下逐层生长二维材料，具有高可扩展性和均匀性，但通常需要后续的高温退火过程以提高结晶性。

自下而上的方法能够更易于实现具有均匀厚度、大尺寸和规则形状的二维材料的可控制备。这些方法适用于工业生产，并且可以通过化学沉积方法在各种基底上生长多种二维材料，如石墨烯、氮化硼、二硫化钼和二硒化钨等。

图12：二维晶体管和未来集成电路技术的挑战与解决方案

二维半导体材料的应用

二维半导体材料在电子器件中有多种潜在应用，主要包括：

1. 晶体管：二维半导体材料可以用于制造具有高迁移率、低接触电阻和近玻尔兹曼极限次阈值摆动（SS）的晶体管，这对于实现低功耗集成电路具有重要意义。
2. 存储器：二维半导体可以用于开发非挥发性存储器，如浮栅晶体管和铁电晶体管，这些存储器能够在断电后保持数据，同时具有快速读写速度。
3. 传感器：二维半导体的高灵敏度使其适用于各种传感器应用，包括光电探测器、化学传感器和生物传感器。
4. 光电子器件：二维半导体在光电子领域有广泛应用，例如用于制造激光器、发光二极管（LEDs）和光探测器。
5. 逻辑电路：二维半导体可以用于构建逻辑电路，包括与非门（NAND）、或非门（NOR）和其他基本逻辑单元。
6. 模拟电路：二维半导体的优异电子特性使其在模拟电路中也有潜在应用，如运算放大器和模拟信号处理器。
7. 神经形态计算：二维半导体可用于开发具有学习能力的神经形态硬件，例如通过 memtransistors（记忆晶体管）实现的人工神经网络。
8. 能量收集和转换：二维半导体在能量收集和转换设备中也有应用，如太阳能电池和热电发电器。
9. 柔性和可穿戴电子：由于二维半导体的机械柔韧性，它们可以用于制造柔性电子和可穿戴设备。
10. 异质集成：二维半导体可以与硅或其他材料进行异质集成，以实现高性能的电子系统和集成电路。

技术挑战与解决方案

二维晶体管和未来集成电路技术面临的挑战以及有希望的解决方案包括：

挑战：

1. 大面积均匀生长：实现二维半导体材料的大面积、高均匀性和高产量的生长仍然是一个技术挑战。
2. 掺杂和调制：精确控制二维半导体的掺杂水平和类型对于调节其电子性质至关重要，但目前仍缺乏稳定和实用的p型掺杂策略。
3. 界面质量：二维晶体管的性能高度依赖于半导体-金属、半导体-介电层和半导体-基底界面的质量，而这些界面的控制和优化是一个难题。
4. 热管理：随着集成电路的密度增加，有效的热管理成为提高器件性能和可靠性的关键。
5. 稳定性和可靠性：二维电子器件的长期稳定性和可靠性需要进一步提高，以满足商业化应用的要求。
6. 与现有硅基技术的兼容性：将二维半导体技术与现有的硅基集成电路工艺集成是一个重要的技术挑战。

有希望的解决方案：

1. 改进生长技术：通过优化生长条件和基底工程，提高二维半导体材料的均匀性和产量。
2. 新型掺杂技术：开发新的掺杂方法，如电化学掺杂、分子束外延（MBE）和原子层沉积（ALD）等，以实现更精确的掺杂控制。
3. 界面工程：采用新型介电材料、改进的清洁技术和界面处理方法来改善二维晶体管的界面质量。
4. 热界面材料：开发具有高热导率的界面材料，以提高集成电路的热管理能力。
5. 新型封装技术：采用先进的封装技术来提高器件的稳定性和可靠性。
6. 硅基集成：通过范德华集成等技术，实现二维半导体与硅基技术的兼容性，以促进二维晶体管在现有集成电路制造中的集成。
7. 混合集成：利用二维材料的独特性质，开发新型的混合集成电路，结合硅基和二维材料的优势。
8. 机器学习和人工智能：利用机器学习和人工智能技术来优化器件设计和制造过程，提高集成电路的性能和产量。

这些挑战和解决方案表明，尽管二维晶体管和未来集成电路技术在发展过程中面临诸多问题，但通过不断的技术创新和跨学科合作，有望克服这些障碍，实现高性能、低功耗的下一代集成电路。