支持异构集成的分层和传统半导体为后摩尔时代打开了大门

由于层状材料体系的二维性质，将新型层状材料与发达的传统半导体相结合是后摩尔时代的合理追求和有前途的策略

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观点，展示了TMD与传统半导体相结合的好处。

这项研究发表在《国际极限制造杂志》上，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，作者讨论了将分层半导体与传统半导体相结合的各种可能性。

具有合适带隙和能带结构的过渡金属硫族化合物（TMD）已成为新一代层状半导体材料。这些进展证明了基于TMD的设备在将摩尔定律扩展到1纳米以下尺度方面的巨大潜力。

“原则上，这开辟了光电应用中一类全新材料的设计，这些材料表现出新的特性，如超导，自旋 - 轨道耦合，铁电和铁磁性，”清华大学材料学院副教授，该研究的通讯作者Chen Wang说。“从本质上讲，它开创了一个基于具有创新原理的分层材料系统的设备的新时代，”该论文的作者之一Xiaonan Deng说。

几十年来，半导体行业一直在发展，同时按照经典摩尔定律扩大器件尺寸和增加晶体管密度。然而，有效摩尔定律的扩展遇到了当代制造和物理学的挑战。阻碍晶体管缩小尺寸的最重要物理障碍是几十纳米通道长度的短通道效应（SCE）和小于10纳米通道长度的量子隧穿。

由于层状材料系统的二维性质，异质结构可以通过化学键横向或通过范德华（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薄隔线、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（vdWHs）可以由任意分层材料组成，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。但问题在于层状半导体的精细合成、器件性能和工业工程，阻碍了层状半导体器件的广泛应用。

事实上，科学家认为作为2D性质的分层材料系统，2D设备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层状材料系列与硅成熟的能带结构相结合，通过异质集成提供了协同优势。

然后，Chen Wang开始试验用各种方法调制的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器件。“此外，vdWHs可以通过结合不同类型的层状材料和传统半导体来实现功能器件，”作者之一Simian Zhang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材料性质的界面状态无序性。“考虑到基本原理，它作为半导体的功能应该是不合理的，”Chen Wang说。“不幸的是，没有一个成熟的理论可以解释这种现象。

Wang，Chen和他们的实验室与大学周围的其他科学家合作，试图用各种方法了解TMD和传统半导体的界面特性。经过测试、仿真和理论工作，他们认为TMD的性质可以通过相工程、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方案。

此外，层状半导体的非半导体相可用作接触、电介质和中间膜来构建高性能器件，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。“研究界和行业正在积极努力应对这些挑战，以促进异质整合，”Chen Wang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为技术开辟新的领域。

该材料的吸引力特性之一是形成异质结构的新选择。例如，WS 的合成₂-WSe₂和 MoS₂-摩西₂横向异质结构可以通过阶梯生长合成。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界面的原子薄TMD为代表的层状半导体表现出优异的可控性和与其他层状材料的异质集成潜力。因此，基于TMD的器件被视为各种器件应用的有希望的候选者。

以TMD为代表的层状半导体在未来的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特性和新颖的应用，但由于分层半导体的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质集成，结合了两种材料体系的技术和经济优势，为后摩尔时代的早期阶段提供了一条实用的中间路线，”Chen Wang说。

Chen Wang说：“虽然分层传统异构集成器件的商业化尚未实现，但在内在物理、材料特性、器件结构和集成策略方面已经取得了实质性进展，显示出未来的前景。