近日，北京科技大學(xué)張錚教授團(tuán)隊(duì)和張躍院士團(tuán)隊(duì)在二維半導(dǎo)體材料低功耗器件架構(gòu)方面取得進(jìn)展。研究成果以“自偏置二硫化鉬晶體管基同質(zhì)結(jié)負(fù)載型反相器用于亞皮瓦級(jí)計(jì)算”為題，于2024年1月8日發(fā)表在《自然·電子》上。

隨著集成電路制程節(jié)點(diǎn)的不斷推進(jìn)，傳統(tǒng)硅基CMOS器件面臨尺寸微縮下高泄漏電流導(dǎo)致的芯片靜態(tài)功耗無法抑制的重大挑戰(zhàn)。二維過渡金屬硫族化合物（TMDCs）材料具有突破尺寸微縮極限的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)、優(yōu)異的輸運(yùn)性能和對(duì)短溝道效應(yīng)的免疫性，是后摩爾時(shí)代最具競(jìng)爭(zhēng)力的集成電路非硅溝道材料之一。

然而，二維半導(dǎo)體材料無法通過化學(xué)摻雜工藝構(gòu)筑穩(wěn)定的CMOS器件，因此，亟待開發(fā)基于二維材料本征優(yōu)勢(shì)的新集成器件架構(gòu)，研制滿足低功耗應(yīng)用需求的新型邏輯電子器件。

根據(jù)國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)工程與材料科學(xué)部的報(bào)道，針對(duì)上述挑戰(zhàn)，張錚教授團(tuán)隊(duì)和張躍院士團(tuán)隊(duì)聚焦二維過渡金屬硫族化合物材料在集成電路的應(yīng)用需求，瞄準(zhǔn)這類材料無法實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的低功耗CMOS器件架構(gòu)的關(guān)鍵問題和挑戰(zhàn)，并率先發(fā)現(xiàn)了范德華氣隙勢(shì)壘對(duì)單層二硫化鉬（MoS2）電子輸運(yùn)行為的非對(duì)稱調(diào)控特性，設(shè)計(jì)構(gòu)筑了自偏置同質(zhì)結(jié)二極管?；谠摪l(fā)現(xiàn)，團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新提出了通過共電極設(shè)計(jì)將單層二硫化鉬構(gòu)筑的自偏置同質(zhì)結(jié)二極管與N型場(chǎng)效應(yīng)晶體管互連組成結(jié)型CMOS（pseudo-CMOS）邏輯反相器的新器件架構(gòu)（圖）。

通過氣隙勢(shì)壘有效抑制了漏電流，使得器件的靜態(tài)功耗顯著降低到亞皮瓦級(jí)，僅約為傳統(tǒng)CMOS邏輯反相器的1%、NMOS邏輯反相器的0.3%。為了驗(yàn)證二維范德華結(jié)型CMOS技術(shù)在大規(guī)模電路制造應(yīng)用的可行性，團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)研制了結(jié)型CMOS通道晶體管邏輯電路，實(shí)現(xiàn)了全擺幅邏輯功能，且執(zhí)行相同邏輯功能，節(jié)省了超過80%的晶體管數(shù)量。同時(shí)進(jìn)一步研究設(shè)計(jì)出了自偏置范德華氣隙勢(shì)壘的結(jié)型CMOS集成器件架構(gòu)，驗(yàn)證了單極性二維半導(dǎo)體材料在超低功耗邏輯計(jì)算的可行性，為二維半導(dǎo)體材料在未來集成電路發(fā)展提供了新的思路。

該研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目的資助。（校對(duì)/武守哲）