浦项科技大学，电子科技大学Mat. Sci. Eng. R综述（IF=31.6）: 基于二维材料的p型晶体管的单片三维集成

‍

【研究背景】

摩尔定律时代以硅（Si）集成电路的微缩为特征，带来了计算能力和微型化的卓越进展。然而，随着基于硅的器件逐渐接近物理极限，短沟道效应增强、功耗增加、热耗散以及量子隧穿等问题相继出现，这些挑战了摩尔定律的持续性。一个值得注意的策略是将二维材料与硅集成电路相结合，以克服硅的固有局限，潜在地提升电子设备的性能并推进摩尔定律。除硅混合集成方法之外，基于二维材料的集成电子学正引起广泛关注。该策略旨在通过利用二维材料来继续遵循摩尔定律的缩放原则，从而推进互补金属氧化物半导体（CMOS）技术。关于二维材料基器件结构、沟道材料和高介电常数绝缘体的创新研究至关重要。更为重要的是，“超摩尔”（More-than-Moore）时代设想通过单片三维（M3D）集成来实现高器件密度和多功能性。这种综合方法满足了感知、光电、物联网和人工智能等应用领域不断增长的期望和需求。

CMOS技术通过结合p型和n型晶体管，凭其高效的功耗、低静态功率耗散和高抗噪性，成为现代电子学的基石。在二维材料领域，如二硫化钼（MoS ₂ ）等n型半导体取得了显著进展，展现出高电子迁移率和稳定性。然而，二维p型半导体的发展步伐相对缓慢。稳定的、高空穴迁移率且具有良好开关比的p型材料仍然匮乏。此外，将p型二维晶体管整合到M3D架构中仍处于早期阶段。

将M3D CMOS系统与基于二维材料的n型和p型晶体管集成是一个复杂的过程，需要谨慎选择材料并采用先进的制造技术。实现高性能M3D CMOS集成还需要高质量的二维p型半导体、完善的合成方法、精确的界面工程以及有效的缺陷控制。材料合成、器件架构和界面工程方面的进步，使得高性能、低功耗电子设备的生产成为可能。

【成果介绍】

鉴于此，浦项科技大学的Yong-Young Noh教授，邹涛隅博士和电子科技大学的刘奥教授发表了题为“Monolithic three-dimensional integration with 2D material-based p-type transistors”的综述论文在Materials Science and Engineering: R: Reports期刊（IF=31.6）上。该论文对基于二维材料p型晶体管的M3D集成的最新进展和持续挑战进行了全面分析。论文首先总结二维p型半导体的现状，重点关注过渡金属二硫族化合物（TMDs）、单元素和复合半导体等关键材料。随后概述了对生产高质量二维p型材料至关重要的合成技术，详细阐述了针对不同二维p型半导体的具体方法。接着，探索了将这些材料整合到M3D架构中的集成策略，讨论了材料选择、器件性能优化和制造工艺的复杂性。此外，本文还讨论了平面集成、三维堆叠互补场效应晶体管（CFETs）以及M3D集成。最后，文章还对基于M3D集成的二维p型晶体管的潜在应用提供了见解，强调了它们提升器件性能和集成密度的能力。

【图文导读】

（仅展示Fig. 1~5）

图 1. M3D与p型2D晶体管集成的发展及其未来发展前景。

图 2. 代表性p型2D半导体的结构，其中WSe ₂ 突出显示为M3D集成的主要p型半导体。

图 16. (a) TSV-3D、传统 M3D 和提出的 2D-M3D 的估计层厚度和集成密度。 (b) 通过逐层范德华组装的垂直集成多层功能设备，包括存储器、逻辑和传感器。 (c) 通过多次循环层压的 MoS2 通道和电路层集成的 10 层 M3D 系统的示意图。 (d) 对应的 10 层 M3D 系统的光学图像。

图 17. (a) 共享栅极 M3D CMOS 结构的 HRTEM 图像。MoS2 和 WSe2 区域的 EDS 映射。 (b) 模拟电路底层和顶层的光学图像。 (c) 平面 CMOS 和堆叠 CFET 技术在常见电路单元的面积比较。 (d) 基于 2D CFET 的反相器的静态功耗的箱形图和比较。 (e) CFET 4T SRAM 的布局图像和功能。刻度尺：10 微米。 (f) 基于 CFET 设计的半加器的电路原理图、布局图像和功能。

图 18. (a) 带有垂直可逆极化场效应晶体管的未来 M3D 集成电路的展望。 (b) 在“更多摩尔”和“超越摩尔”技术中 2D FETs 3D 集成的潜力示意图。 (c) 三层芯片的光学图像。插图为其中一个三层 3D 设备堆叠的顶视图伪彩色扫描电子显微镜（SEM）图像。

【总结展望】 ‍ ‍

总之，解决当前二维p型晶体管面临的问题对推进M3D集成至关重要。这将使得二维p型半导体与现有半导体的集成更为顺畅，提高器件密度和功能，并保持与现有制造方法的兼容性。顺利利用这些材料对未来电子学至关重要，其可以提供更优异的性能、更低的功耗以及新颖的功能特性。

【文献信息】

上 海 昂 维 科 技 有 限 公 司 现 提 供 二 维 材 料 单 晶 和 薄 膜 等 耗 材 ， 器