隨著晶體管先進工藝節點持續推進，國際半導體產業界已明確2 nm以后晶體管技術將轉向納米片晶體管技術，包括多橋通道晶體管(Multi-Bridge Channel FET)和垂直互補晶體管（Complementary FET），來更好地提升靜電控制能力。然而基于傳統硅鍺材料的多橋溝道制造工藝依賴橫向選擇性刻蝕和重復外延生長，制造工藝日益復雜。此外，體硅材料制作溝道在厚度小于3 nm時，由于界面缺陷的存在遷移率會大幅退化，所以硅基多橋溝道結構也仍然面臨漏電流的問題。

 

所以，半導體業界亟需一種既能原子尺度薄又能保持良好載流子傳輸能力的新溝道材料，而具有半導體性質的二維原子晶體（二維半導體）的出現提供了解決這些問題的可能選擇。因為二維半導體具有天然的原子級厚度的納米片結構，和碳納米管、石墨烯一樣，具有光滑無懸掛鍵的表面，可以很好的延續摩爾定律的晶體管微縮趨勢；而且二維材料種類豐富、能夠任意堆疊的特點，可以用于靈活的器件結構和能帶設計。所以，TSMC、Intel、IMEC等領先的半導體公司近年來正在積極引入二維材料，作為未來1 nm以下節點的重要技術儲備。

 

鑒于此，復旦大學微電子學院和北京大學物理學院的課題組緊密合作，基于晶圓級二維半導體薄膜，成功制備了MBC-FET和C-FET原型器件陣列。首先，使用晶圓級的N型MoS2薄膜作為溝道，并通過轉移疊層和層間互連工藝實現兩層的MBC-FET器件；其次通過在基底上直接生長的P型MoTe2薄膜，通過疊層轉移N型MoS2和層間互連，實現垂直C-FET器件。該成果為二維半導體材料在未來MBC-FET和C-FET先進工藝節點中的實際應用提供了規模化制造的驗證下結果。夏銀、宗凌逸、潘宇為共同第一作者，復旦大學包文中研究員和周鵬教授、北京大學葉堉教授為共同通訊作者。該工作同時還與華東理工大學，深圳六碳科技等單位緊密合作，并得到了科技部重點研發計劃納米科技專項、上海市科委集成電路科技支撐專項等項目的支持。

 

此工作中的MBC-FET是由兩層平行的被環形柵電極包裹的MoS2溝道構成，兩層MoS2的對應源漏電極通過互聯工藝相連。圖1所示為MoS2的MBC-FET 立體和橫截面結構示意圖、陣列圖片，以及器件截面的TEM表征。

 

 

圖1. (a) 基于MoS2的MBC-FET三維結構示意圖；(b) MBC-FET器件陣列的光學圖；(c) 基于MoS2的MBC-FET的截面示意圖；（d）MBC-FET的截面高清TEM表征，左上角的內嵌圖是三層MoS2的AFM，右上角的內嵌圖是三層MoS2截面的高清TEM表征。

 

其次，圖2 (a)-(c)展示了單柵、雙柵以及MBC結構柵控的晶體管的轉移特性性能對比。在VDS 為1 V 和 2 V的條件下，同樣面積尺寸的單柵和雙柵晶體管的驅動電流分別為0.6 μA and 3.2 μA，而MBC-FET的驅動電流增加到了45 μA。并且其關態電流僅為10-13 A。圖(g)給出了單柵、雙柵以及MBC-FET的電學性能對比，分別各統計了15個器件的電學性能。整體來看，相比于單柵和雙柵晶體管的性能，二維半導體作為溝道的MBC-FET的性能得到了極大的提高，具有更大的驅動電流，更高的遷移率以及更小的亞閾值擺幅(SS)，并且開關比仍然可以保持。

 

 

 

圖2. (a)-(d), (b)-(e), (c)-(f) 單柵FET，雙柵FET以及MBC-FET的轉移特性和輸出特性性能對比；(g) 單柵FET，雙柵FET以及MBC-FET的電學性能對比。

 

然后，作者們通過對上下兩層的MoS2溝道通過不同的層間互連，實現了多種數字邏輯。如圖3(a-b) 所示，將上層MoS2 晶體管的柵源電極短接作為負載管，并將上層晶體管的源極與下層晶體管的漏極相連，再將中間的柵電極接地，從而屏蔽了頂部和底部柵極對另一側溝道的影響。該垂直反相器的測試結果如圖3(c)所示，VDD從1V增加到3V，反相器的增益從1.8增加到6.8。基于垂直的兩層MoS2溝道，作者同時也制備了NAND和NOR邏輯。該垂直結構相較于傳統的平面結構可以省下2/3的電路面積。該結構的NAND和NOR的動態響應，如圖(e)和(g)所示。

 

 

圖3. (a)-(b) 基于n-MoS2 FET的垂直反相器的光學圖和電路結構示意圖；(c) 垂直反相器的電壓轉移特性和電壓增益曲線；(d)-(f) NAND和NOR的電路結構示意圖；(e)-(g) NAND和NOR分別在1Hz的頻率下的動態響應。

 

論文的第二部中，作者利用兩種二維半導體材料實現了垂直C-FET結構，其三維示意圖如圖4所示。上層的N型MoS2 晶體管作為反相器的下拉管，下層的P型MoTe2 晶體管作為反相器的上拉管。下拉管的漏極和上拉管的源極通過通孔連接作為VOUT。此時，垂直結構中間的公共柵電極作為VIN，下拉管的源極接地，上拉管的漏極接VDD。此時，MoTe2溝道和MoS2溝道能夠同時被中間的公共柵電極調控。

 

 

圖 4. (a) C-FET的三維結構示意圖；(b)-(c) C-FET陣列的光學圖；(d) C-FET截面示意圖；(e)-(f) 分別是C-FET溝道區域和VDD區域的截面的高清TEM圖。

 

獨立測試的MoTe2 晶體管和MoS2 晶體管的電學特性如圖(a)-(d)所示，兩種晶體管均展現了良好p型特性和n型特性。接下來就是C-FET結構的反相器測試，當給中間的公共柵電極施加負電壓的時候，MoS2 溝道被關斷，MoTe2溝道被開啟，VOUT輸出高電平；當公共柵電極施加正電壓，MoS2溝道被開啟，MoTe2溝道被關斷，VOUT輸出低電平。圖3(e) 展示了在偏壓1V到4V下，此C-FET器件的電壓轉移特性和電壓增益。在VDD為4V時，C-FET可以獲得7V/V的較好電壓增益。最后，作者還證明了C-FET的閾值開關電壓可以由不同波長的光信號來調控，這也證明了C-FET結構在傳感和光電領域的潛在應用。

 

 

 

圖5. (a)-(b) MoTe2 FET的轉移特性和輸出特性；(c)-(d) MoS2 FET的轉移特性和輸出特性；(e) 在偏壓1V到4V下，C-FET的電壓轉移特性和電壓增益。

 

 

此工作基于晶圓級的二維半導體薄膜，成功制備MBC-FET和C-FET結構的晶體管陣列。而且該工作中提出的二維器件工藝與硅基CMOS工藝更為兼容，有利于未來二維半導體材料的產業化應用。此外，雖然目前陣列器件的最小精度尺寸受限于設備條件，但是結合近期學術界關于二維半導體短溝道原型器件的報道，完全可以驗證2 nm節點中引入二維半導體材料可行性，并進一步探究2 nm以下的技術可行性。