分层和传统半导体异构集成为后摩尔时代打开了大门

清华大学NEXT实验室的科学家揭示了TMD的制造和工程技术，并提供了TMD与传统半导体的比较，展示了TMD与传统半导体结合的好处。

这项发表在 IJEM 上的研究展示了如何制造用各种方法调制的层状半导体，包括相工程、缺陷工程、掺杂和合金化。然后作者讨论了将层状半导体与传统半导体结合的各种可能性。

具有合适带隙和能带结构的过渡金属二硫属化物(TMD)已成为新一代层状半导体材料。这些进步证明了基于TMD的器件在将摩尔定律扩展到亚1纳米尺度方面的巨大潜力。

“原则上，这开辟了光电应用中全新一类材料的设计，这些材料表现出超导性、自旋轨道耦合、铁电性和铁磁性等新颖特性，”该校副教授陈王说。清华大学材料学院和该研究的通讯作者。“从本质上讲，它开创了基于具有创新原理的层状材料系统的设备的新时代， ”该论文的共同第一作者之一邓小南(博士'21)说。

半导体行业遵循经典摩尔定律，随着器件尺寸的缩小和晶体管密度的增加，已经发展了数十年。然而，有效摩尔定律的推广遇到了当代制造和物理学的挑战。阻碍晶体管尺寸缩小的最重要的物理障碍是几十纳米沟道长度的短沟道效应(SCE)和亚10纳米沟道长度的量子隧道效应。

由于层状材料系统的二维性质，异质结构可以在层状材料之间通过化学键横向形成或通过范德华(vdW)相互作用垂直形成，从而实现基于层状材料的异质结器件。横向化学异质集成结具有原子级薄互连线、基于化学反应的大规模生产工艺以及电子和光电器件的独特优势等优点。另一方面，vdW 异质结构 (vdWH) 可以由任意层状材料组成，提供高度灵活的堆叠顺序和角度，以及自然原子尖锐的界面。但问题仍然存在于层状半导体的精细合成、器件性能和工业工程方面，

事实上，科学家认为由于层状材料系统的二维性质，二维器件中使用的大多数工艺都与硅基技术兼容。此外，具有各种能带结构的广泛的层状材料系列与成熟的硅能带结构相结合，通过异质集成提供了协同优势。

然后，王开始尝试用各种方法调制TMD，包括相工程、缺陷工程、掺杂和合金化。

令科学家们惊讶的是，TMD 能够探索下一代电子和光电设备。“此外，vdWH 可以通过结合不同类型的层状材料和传统半导体来形成，以实现功能器件， ”共同第一作者之一张思勉 (Ph.D. '21) 说。这对于必须在现实世界中运行的设备非常有帮助。

然而，最引起科学家注意的是新型材料特性的界面态无序性。“考虑到基本原理，这对于它作为半导体的功能来说应该是不合理的，”陈说。“不幸的是，没有一个完善的理论可以解释这种现象。”

Wang、Chen 和他们的实验室与大学内的其他科学家合作，试图通过各种方法了解 TMD 和传统半导体的界面特性。经过测试、模拟和理论工作，他们认为TMD的性能可以通过相工程、缺陷工程、掺杂和合金化来调节，为具有稳定相和合适能带结构的高质量层状半导体提供了广泛的替代品。此外，层状半导体的非半导体相可以用作接触、电介质和中间层来构建高性能器件，从而增强与单相硅材料相比的技术优势。

对于分层材料来说，最终结果是前所未有的。“研究界和业界正在积极努力应对这些挑战，以促进异质整合。 ”陈说。科学家们很兴奋，因为这一发现为电子和光电技术提出了一种全新的设计原理。他们解释说，分层材料非常重要，几乎任何新的发展都会开辟新的技术路线。

该材料的吸引人的特性之一是异质结构形成的新选择。例如，WS 2 -WSe 2和MoS 2 -MoSe 2横向异质结构的合成可以通过逐步生长来合成。垂直异质结构 TMD 可以使用阶梯生长或机械堆叠来制造。

以具有干净 vdW 界面的原子级薄 TMD 为代表的层状半导体表现出优异的可控性以及与其他层状材料的异质集成潜力。因此，基于 TMD 的设备被视为各种设备应用的有希望的候选者。

以TMDs为代表的层状半导体在未来电子和光电器件中显示出巨大的潜力。然而，尽管它们具有非凡的性能和新颖的应用，但由于层状半导体精细合成和器件工程面临的挑战，它们的采用受到了阻碍。

该团队还在探索分层半导体和传统半导体的异构集成。“我们认为，层状半导体和传统半导体之间的异构集成，结合两种材料系统的技术和经济优势，为后摩尔时代的早期阶段提供了一条实用的中间路线，”王说。

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