【综述】二维半导体和晶体管在集成电路未来应用

一篇关于二维半导体和晶体管在集成电路未来应用的综述文章。

文章由Lei Yin、Ruiqing Cheng、Jiahui Ding、Jian Jiang、Yutang Hou、Xiaoqiang Feng、Yao Wen和Jun He*共同撰写，发表在《ACS Nano》2024年第18卷上。

Figure 1: CMOS晶体管的演变

描述了CMOS晶体管随着时间推移的结构和工艺节点的变化。
展示了晶体管的物理门长增长缓慢，与技术节点的缩小之间的差距逐渐扩大。
强调了超越摩尔定律的电子学，主要基于原子尺度材料和非传统器件及架构，将成为未来集成电路的重要推动力。

文章主要内容包括：

背景介绍：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。
二维半导体的特性：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。
二维晶体管的进展：介绍了二维晶体管的优化、大规模集成和非传统器件方面的重大进展。特别提到了通过精心设计，二维半导体可以与零维量子点、一维碳纳米管和三维硅等材料形成范德华异质结构（vdWHs），为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。
技术挑战与策略：讨论了二维晶体管和集成电路在性能优化、大规模集成和异质多功能集成方面的关键技术挑战和潜在策略。
未来展望：文章最后提出了对二维半导体和晶体管领域未来几年取得重大进展的展望，并希望这篇综述能够激发科学家们进行下一步实验的兴趣。

文章详细讨论了二维半导体和晶体管的当前状态，从材料和器件到集成应用的各个方面，并对如何克服现有的技术限制提出了见解。

二维半导体包括以下几类具体材料：

单元素晶体（single-element crystals）：如石墨烯（graphene）和黑磷（black phosphorus）。
六方氮化硼（hexagonal boron nitride, h-BN）。
过渡金属硫化物（transition metal chalcogenides, TMCs），例如二硫化钼（MoS2）和二硒化钨（WSe2）。
主族金属硫化物（main group metal chalcogenides, MMCs），如硒化铟（In2Se3）和砷化镓（GaTe）。
氧化物/氢氧化物（oxides/hydroxides），如二氧化锰（MnO2）和云母（mica）。
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）。

这些材料涵盖了金属、半金属、半导体和绝缘体等多种导电类型，并且具有不同的能带间隙，可以满足各种应用需求。

Figure 2: 二维范德华材料的性质和结构

展示了不同带隙的二维范德华材料的原子结构。
比较了体材料和范德华材料的性质，包括导电类型（金属、半金属、半导体、绝缘体）。
强调了二维材料的厚度、表面平整度和层数固定的特点，以及与三维材料相比在微电子应用中的优势。

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。

Figure 3: 晶圆级二维半导体的制备

描述了晶圆级二维半导体制备的发展情况。
展示了获得大尺寸二维单晶的两种策略：单核和多核方法。
举例说明了在非晶硅/二氧化硅基底上通过诱导相变和再结晶合成晶圆级单晶2H MoTe2的情况，以及在含阶梯边缘的蓝宝石上外延晶圆级MoS2和WS2单层的情况。

Figure 4: 基于二维材料的异质结构的构建

展示了构建二维材料间异质结构的两种主要策略：机械组装和原位生长。
展示了通过手动辅助转移构建简单的二维异质结构、晶圆级二维半导体的程序化真空堆叠、一步CVD生长垂直范德华异质结构、选择性种子生长范德华异质结构阵列等方法。
举例说明了通过机械转移和CVD生长实现的1D/2D混合维度范德华异质结构和三维/二维异质结构。

二维半导体材料在电子器件中有多种潜在应用，

主要包括：

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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。

这些应用展示了二维半导体材料在未来电子器件和系统中的巨大潜力，特别是在推动超越传统硅基技术的创新方面。

二维半导体材料在提高晶体管性能方面具有以下优势：

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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。