南大团队将二维半导体集成电路推向千兆赫兹

学电子科学与工程学院王欣然教授、施毅教授带领的团队在二维半导体集成电路领域取得突破性进展。通过设计-工艺协同优化（DTCO），开发出空气隔墙晶体管结构，大幅降低寄生电容，在国际上首次实现了GHz频率的二维半导体环形振荡器电路，比原有记录提升200倍，并预测了二维半导体应用于1nm节点集成电路的潜力与技术路径。

由于短沟道效应，硅基互补金属氧化物半导体（CMOS）器件的微缩化越来越具有挑战性。以MoS2为代表的二维过渡金属二硫属化物 (TMD) 具有原子级超薄厚度、高载流子迁移率和免疫短沟道效应等优点，是亚1nm节点集成电路的重要候选材料。相对于硅沟道材料，单层TMD可以维持晶体管尺寸进一步缩小，满足国际器件和系统路线图 (IRDS)设定的目标。过去10余年，尽管TMD材料生长和场效应晶体管器件取得了系列重大进展，但是高频集成电路的开发仍然是一个挑战，基于TMD的集成电路工作频率迄今为止仅限于MHz，远远低于硅基CMOS以及碳纳米管等技术，成为限制二维材料走向集成电路应用的关键瓶颈之一。

面对上述挑战，王欣然、施毅教授领导的国际合作团队将DTCO应用于二维器件领域，进行多项突破创新。团队在MoS2场效应晶体管中创新性引入空气隔墙（Air-gap）结构，不仅避免了对接触部分进行掺杂的额外工艺步骤，更重要的是大幅度降低器件的寄生电容。根据TCAD模型计算，引入空气隔墙的器件结构与没有隔墙的结构相比，寄生电容降低了34%。同时结合团队之前报道的半金属Sb(011?2)接触技术，在降低寄生电容的基础上保持了高性能：本次报道的空气隔墙晶体管具有同等尺寸器件中的最高电流密度。为了获得低延迟高频率的电路，团队对器件结构进行了TCAD建模仿真，获得了接触重叠长度、掺杂水平等重要参数的最优设计区间。基于器件工艺和TCAD模型的DTCO，团队成功在大面积单层MoS2上实现了GHz频率的五级环形振荡电路阵列，平均工作频率达2.1GHz，最高工作频率达2.65GHz，对应单级反向器延迟降低至37ps。（图1）

图1 基于空气隔墙结构的高性能场效应晶体管和环形振荡器

图2 晶圆级二维半导体环形振荡器阵列

该工作不仅首次实现了GHz二维半导体集成电路，而且展示了DTCO在减少非理想寄生效应、在众多权衡中找到性能/功耗/面积最优解的关键作用，为高性能二维集成电路发展指明了方向。相关工作以“Two-dimensional semiconductor integrated circuits operating at gigahertz frequencies”为题发表在《自然?电子学》期刊。

该工作由学、苏州实验室等单位共同完成，学为第一作者单位，电子科学与工程学院2019级博士生范东旭、李卫胜博士和邱浩副教授是论文的共同第一作者，王欣然教授、邱浩副教授为论文共同通讯作者，施毅教授对该工作进行了深入指导。研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、江苏省前沿引领技术基础研究、新基石科学基金会所设立的科学探索奖等项目的资助，以及学微制造与集成工艺中心的大力支持。