經(jīng)過數(shù)十年發(fā)展，半導體工藝制程不斷逼近亞納米物理極限，傳統(tǒng)硅基集成電路難以依靠進一步縮小晶體管面內(nèi)尺寸來延續(xù)摩爾定律。發(fā)展垂直架構的多層互連CMOS邏輯電路，從而獲得三維集成技術的突破，是國際半導體領域積極探尋的新路徑之一，多家半導體公司爭相發(fā)布相關研究計劃。
由于硅基晶體管制備工藝采用單晶硅表面離子注入的方式，很難實現(xiàn)在一層離子注入的單晶硅上方再次生長或轉移單晶硅。雖然可以通過三維空間連接電極、芯粒等方式提高集成度，但是關鍵的晶體管始終分布在最底層，無法獲得z方向的自由度。新材料、或顛覆性原理因此成為備受關注的重要突破點。
近日，在山西大學韓拯教授領銜下，中國科學院金屬研究所李秀艷研究員、遼寧材料實驗室王漢文副研究員、中山大學侯仰龍教授、中國科學院大學周武教授等參與合作，提出了一種全新的基于界面耦合（理論表明量子效應在其中起到關鍵作用）的p-摻雜二維半導體方法。該方法采用界面效應的顛覆性路線，工藝簡單、效果穩(wěn)定、并且可以有效保持二維半導體本征的優(yōu)異性能。進一步，利用垂直堆疊的方式，制備了由14層范德華材料組成、包含4個晶體管的互補型邏輯門NAND以及SRAM等器件（如圖1所示）。這一創(chuàng)新方法打破了硅基邏輯電路的底層“封印”，基于量子效應獲得了三維（3D）垂直集成多層互補型晶體管電路，為后摩爾時代未來二維半導體器件的發(fā)展提供了思路。
該研究成果以“Van der Waals polarity-engineered 3D integration of 2D complementary logic”為題于2024年5月29日在Nature雜志在線發(fā)表。中國科學院金屬研究所郭藝萌、李江旭、山東大學詹學鵬、中國科學院大學王春雯、上?？萍即髮W李敏為論文共同第一作者。山西大學韓拯教授、遼寧材料實驗室王漢文副研究員、中國科學院金屬研究所李秀艷研究員、中山大學侯仰龍教授、中國科學院大學周武教授為論文的共同通訊作者。北京大學王潤聲教授和王子瑞同學在TCAD仿真方面給予了支持、山西大學張靖教授和秦成兵教授在測試方面給予支持、北京大學葉堉教授為本工作提供了CrOCl晶體和測試的協(xié)助、上?？萍即髮W劉健鵬教授為本文DFT計算提供了支撐、山東大學陳杰智教授和中國科學院金屬研究所孫東明研究員與陳星秋研究員在實驗方面給予了支持。該研究得到國家重點研發(fā)計劃納米專項、國家自然科學基金（“第二代量子材料的構筑與操控”重大研究計劃重點項目、面上項目、青年項目）、沈陽材料科學國家研究中心、遼寧材料實驗室、山西大學量子光學與光量子器件國家重點實驗室等資助。
二維半導體“向上”集成互補型邏輯電路SRAM原型器件的實現(xiàn)
