基于二维材料的场效应晶体管在超大规模集成电路（VLSI）技术中具有广泛的应用潜力，但它们是否可以在生产线前端或后端通过单片集成或异质集成长久以来仍然是悬而未决的问题。要实现这一目标，不仅需要克服包括降低接触电阻、开发稳定可控的掺杂方案、推进迁移率工程和改进高κ介电集成在内的多重挑战，还需要能够大面积生长均匀的二维层，以确保二维场效应晶体管低缺陷密度和无悬挂键的界面。

近期，由来自美国宾夕法尼亚州立大学Saptarshi Das教授领导的国际研究团队，在电子学国际著名期刊Nature Electronics上以Transistors based on two-dimensional materials for future integrated circuits为题发表综述文章，系统回顾了用于未来超大规模集成电路技术的二维场效应晶体管的发展，讨论了如何提取和评估这些二维晶体管的关键性能指标，并展望了二维晶体管在微纳电子学、神经形态计算、高级传感、数据存储和未来互连技术中的潜在应用。

图1.二维场效应晶体管的制备和表征。

图源： Nat Electron 4, 786–799 (2021).

目前，硅互补金属-氧化物-半导体（CMOS）技术的规模已经达到了10纳米以下的技术节点，但因为10纳米一下器件的栅极静电要求大幅减小沟道厚度以保持所需的性能，所以进一步的规模化越来越具有挑战性。未来，场效应晶体管的最终沟道厚度可能在亚1纳米范围内。然而，这对于任何三维半导体晶体来说都是不容易实现的，因为在沟道-电介质界面处电荷载流子的散射增加，这会导致严重的迁移率退化。

单层形式、厚度约为0.6 纳米的二维半导体材料，可以为此问题提供一种解决方案。这种材料包括通式为MX2的过渡金属二卤化物（TMD），其中M为过渡金属（例如，Mo或W），X为硫族元素（例如，S、Se或Te）。材料中不存在悬空键也有助于实现更好的沟道-电介质界面。早期学术界基于机械剥离的单晶二维薄片的研究，以及最近基于大面积生长的合成二维单分子膜的发展，都说明了二维晶体管的优异特性。然而，许多有待解决的挑战使得二维场效应晶体管在未来超大规模集成技术中的应用前景还很不明朗。

在这篇综述中，研究人员探讨了未来集成电路中二维场效应晶体管的发展。文章首先考虑二维沟道材料的大面积生长和二维场效应晶体管的制造，以及关键参数的提取，以全面评估器件性能。然后，文章分析了研究二维场效应晶体管的器件间变化、稳定性和可靠性的重要性。接着，文章评估了实现基于二维场效应晶体管的超大规模集成应用必须解决的关键挑战，如降低接触电阻RC、实现稳定掺杂、推进迁移率工程和改进高κ电介质（其中κ是介电常数）的集成。最后，文章重点介绍了二维场效应晶体管在数字和模拟电子学、存储器、神经形态计算、传感器件和互连技术中的潜在应用。

二维材料加工基础

二维场效应晶体管的最早是基于微观机械剥落薄片实现的。尽管机械剥离技术缺乏可扩展性和可制造性，但它可以实现不同二维材料的快速实验筛选，并作为设备优化和应用的试验台。它还有助于检查二维材料与标准加工技术的兼容性。然而，对于二维场效应晶体管的超大规模集成而言，晶圆级合成是不可避免的，化学气相沉积（CVD）和金属-有机CVD技术是这方面的先驱。图1a显示了有机CVD在两英寸蓝宝石晶圆上生长的MoS2、MoSe2、WS2和WSe2。虽然最重要的生长参数是工艺温度，通常大于500 °C时，前体和基质的选择也会影响生长。例如，诸如蓝宝石的晶体衬底可以促进过渡金属二卤化物的外延生长，这大大减少了晶界的数量并改进了二维场效应晶体管的性能。请注意，二维场效应晶体管必须满足设备和系统国际路线图（IRD）规定的性能标准，以作为高级节点中的前端（FEOL）设备，如下文所述。后端（BEOL）设备的性能标准不那么严格，但CMOS工艺兼容性需要低温生长（<450 °C）的过渡金属二卤化物，这是非常重要的，除了一些初始演示之外，还需要进一步的调查。或者，单片集成的温度和衬底相关限制可以通过在具有更高热预算的所需衬底上生长过渡金属二卤化物来避免，随后是干净且无损伤的大面积传输。图1b显示了目前学术界已经开发的常用的湿转移技术。

图2.二维场效应晶体管中的饱和电流和饱和速度。

图源： Nat Electron 4, 786–799 (2021).

二维场效应晶体管在未来超大规模集成电路中的潜在应用

二维场效应晶体管提供了广泛的潜在超大规模集成电路应用，文章讨论了二维场效应晶体管在包括传统的微纳电子学、三维集成、人工智能硬件、铜互连的传感和扩散屏障替换等方面的应用。

微纳电子学

二维场效应晶体管可用于标准数字逻辑、模拟电路和射频（RF）电子学，以及各种易失性和非易失性存储器设备中的有源和无源元件，包括静态随机存取存储器（SRAM）、动态随机存取存储器（DRAM）和浮栅存储器（FG）。

对于数字逻辑门，主流工业界认为到2028年，节点需要约0.78ps的切换延迟和~0.47 fJ的开关能量。此外，对于HP和LP IRDS节点必须分别保持关闭电流IOFF为10 nAµm-1和100 pAµm-1来限制静态功率。在此背景下，二维场效应晶体管在匹配甚至超越硅场效应晶体管方面显示出巨大潜力。除了单个器件外，二维场效应晶体管的电路级演示还包括微处理器、模拟运算放大器和静态随机存取存储器单元。基于二维场效应晶体管的超大规模集成的一个关键考虑因素是器件-电路协同优化。例如，可以通过减小互连线尺寸来降低接触电阻的主要影响，并且可以通过优化背栅极重叠来降低双栅极架构增加的功耗。

除了帮助CMOS逻辑扩展外，二维晶体管还可以改善内存扩展。六晶体管静态随机存取存储器及其更大版本的寄存器文件是逻辑芯片中的主要存储元件。由于它们基于逻辑技术晶体管，二维场效应晶体管为CMOS所展示的任何缩放、性能和泄漏优势都将直接反映在二维 静态随机存取存储器的特性上。事实上，基于具有三层结构的二维场效应晶体管的静态随机存取存储器设计表明，在未来节能计算系统中，每单位面积的存储容量有了大幅增加。二维场效应晶体管作为动态随机存取存储器存取晶体管也是非常有潜力的方向，因为它们可以比硅场效应晶体管更好地扩展，同时保持低泄漏和可比的通电状态。各种非易失性存储器，例如浮栅存储器，它们是在电子产品中保留大量数据的关键，可以使用二维场效应晶体管来取代目前使用的低迁移率和较差的亚阈值斜率多晶硅NAND晶体管。然而，这将需要在极高纵横比通孔的侧壁上以较低的热预算生长二维通道。氧化物侧壁上过渡金属二卤化物沟道生长的良好进展已被证明，但晶体管性能和可扩展性需要进一步改进。新兴存储器，如铁场效应晶体管，提供更好的缩放和高速操作，也可以利用二维通道。除了内存和逻辑，二维场效应晶体管还可用于射频电子设备、硬件安全以及柔性显示电子设备。

图3. 二维场效应晶体管的可靠性与稳定性。

图源： Nat Electron 4, 786–799 (2021).

三维集成

三维单片集成为半导体工业的未来提供了一条潜在的道路。根据IRDS 2020报告，预计到2034年，“More Moore”要求 由四个垂直堆叠的纳米片组成的“07 nm eq node”栅极长度为12 nm，，纳米片厚度为5 nm。通过这种方式，静电门控制可以保持，同时实现每个封装外形上可接受的电流水平。二维材料的原子薄特性使层间信号延迟低，散热更容易，与传统单片三维集成相比，集成密度高出150%以上。这种二维材料还提供良好的静电屏蔽和高频电场屏蔽，这对三维集成非常重要。因此，三维集成双栅WS2场效应晶体管在满足3纳米鳍式场效应晶体管节点的要求方面具有潜力。类似地，在三维多通道MoS2场效应晶体管中实现了高驱动电流。此外，基于环栅 MoS2场效应晶体管的环形振荡器电路在IMEC 2-nm节点上显示出优于硅基环栅器件的潜力。已经使用MoS2和WSe2场效应晶体管的三维单片集成演示了数字电路组件，如反相器、NAND和NOR组件，以及模拟组件，如差分放大器、共源放大器和信号混频器。类似地，全WSe2 单晶体管单电阻随机存取存储器单元已证明二维材料用于三维嵌入式存储器的潜力。请注意，存储器和逻辑的单片三维集成是一种很有希望的替代方案，可以满足人工智能和机器学习工作负载对内存内和近内存计算的日益增长的需求。三维集成也可用于在同一芯片中实现多功能器件。例如，用于图像传感应用的MoS2光电晶体管阵列已集成在基于多晶硅纳米线场效应晶体管的三维集成电路之上。事实上，二维材料可用于制造大规模晶体管、密集存储单元和传感元件，为其三维集成提供了多种机会。

电路互连

二维材料也可以在互连技术中找到潜在的应用。随着目前集成电路中的每个技术节点都要求铜互连变得越来越紧凑，这不可避免地会导致硅芯片中电阻-电容延迟的增加。由于铜的电阻率随着侧壁和晶界散射的增加而迅速增加，因此在超尺度尺寸下，这个问题变得更加严重。此外，众所周知，铜很容易扩散到周围的电介质中，特别是在大电场下，这就需要使用扩散屏障。通常使用由氮化物（TiN或TaN）基扩散阻挡层和耐火金属（Ta或W）基衬垫组成的双层堆叠。因为这些材料比铜的电阻大得多，所以它们的厚度需要尽可能薄，以实现整体低线电阻。然而，当这些阻隔材料的尺寸非常大时，它们就失去了阻止铜扩散的能力。因此，在不久的将来，超大规模互连迫切需要亚纳米级势垒解决方案。实验和模拟都表明，石墨烯、hBN和各种过渡金属二卤化物等二维材料可以成为铜的有效扩散阻挡层。例如，在铜电极和底层电介质衬底之间插入单层MoS2可显著提高器件可靠性和性能。为了实现这些二维材料作为互连技术潜在的亚纳米薄势垒解决方案，有必要在后端（BEOL）兼容温度下生长高质量的二维势垒。最近的研究表明，钽在后端（BEOL）温度下成功地转化为二维 TaS2阻挡层，作为优良的铜扩散阻挡层和粘附衬层，可提高铜互连的性能。除了扩散阻挡特性外，还通过在铜纳米线上直接生长石墨烯或在MoS2和TaS2膜上沉积超薄铜膜，对铜/二维阻挡杂化系统的电阻率进行了严格检查。通过比较有无二维界面的铜电阻率，发现当引入二维界面时，缩放铜互连器件的电阻率始终较低，这对于抑制缩放互连中铜电阻率增加的趋势具有重要价值。

图4. 二维场效应晶体管的接触电阻和掺杂。

图源： Nat Electron 4, 786–799 (2021).

非冯诺依曼架构

二维材料在如神经形态和仿生计算等后冯·诺依曼计算架构中也具有非凡的潜力。内存和逻辑的物理分离是冯·诺依曼计算的一个关键瓶颈，可以通过使用记忆交叉条结构和人工神经网络进行内存计算来绕过这一瓶颈。在这种情况下，利用相变、空位或离子迁移、晶粒边界移动以及与吸附物种的偶极相互作用的二维忆阻器件的最新发现是很有前景的。此外，基于二维场效应晶体管仿生器件也得到了实验的实现。例如，谷仓猫头鹰的听觉皮层可以使用分闸MoS2场效应晶体管模拟，人脑的视觉皮层可以使用共面多闸MoS2场效应晶体管模拟，蝗虫中用于碰撞检测的小叶巨大运动检测器神经元的逃逸反应可以使用可编程MoS2场效应晶体管模拟。此外，光学活性二维材料允许实现光电突触和智能传感器。其他神经功能，如神经递质释放、短期和长期可塑性、尖峰时间依赖性可塑性、神经编码、概率计算等，也可以使用具有高能量效率的二维人工突触实现。

下一代传感器

二维材料凭借其高的表面体积比，是利用表面相互作用的传感器应用的极佳候选。例如，基于MoS2的pH传感器、金属离子污染物传感器和葡萄糖传感器是二维化学传感器的一些典型例子，其中目标分子通常通过范德华相互作用进行物理吸附或化学吸附到缺陷位置。二维材料也可以用纳米粒子修饰，以确保更好的电化学性能、选择性和灵敏度。生物分子，如多巴胺、抗坏血酸、尿酸、核酸（DNA和RNA）和各种抗原，也可以使用二维材料进行检测。这种材料工作原理是目标分子和二维材料之间的电荷转移，可以被广泛用作气体传感器。此外，这些二维材料还具有热电应用的潜力。在热电应用中，产生的废热可以通过二维材料转化为电能以支持物联网设备。

图5.高κ电介质在二维半导体上的集成。

图源： Nat Electron 4, 786–799 (2021).

总结

总而言之，本文系统总结了二维材料的生长、制造和加工方面的进展，并概述了在缩放器件尺寸下二维场效应晶体管性能保证的关键器件参数。文章指出，接触电阻、掺杂、高κ介电集成和器件可靠性是规模化二维场效应晶体管的主要挑战。文章认为，在现有的硅平台上直接生长高结晶和无缺陷的二维过渡金属二卤化物，以及从生长基板进行清洁和无损伤的晶圆级转移，是进一步研究的重点领域，这将帮助二维场效应晶体管纳入未来的超大规模集成电路技术。前端（FEOL）替换和/或增强需要高性能二维场效应晶体管，但后端（BEOL）集成对晶体管的要求相对宽松一些，但是它仍然需要二维材料的低温生长。另一种替代方法是三维异构集成。面向未来，文章认为，二维场效应晶体管将在传统数字、模拟和射频电子学以及非传统计算、传感和各种形式的易失性和非易失性存储器中的发挥出重要的作用。