新型高性能二维半导体材料研发获突破

来源：科技日报

飞速发展的人工智能技术，尤其是快速迭代的深度学习、大语言模型和边缘计算等前沿领域，对高性能、低功耗芯片的需求日趋旺盛。近日，国防科技大学和中国科学院金属研究所联合研究团队在新型高性能二维半导体晶圆级生长和可控掺杂领域取得重要突破，有望为后摩尔时代自主可控的芯片技术提供关键材料和器件支撑。相关成果近日在线发表于国际顶级期刊《国家科学评论》。

如果把芯片比作“城市”，晶体管就是里面的“房子”。当晶体管沟道微缩至10纳米以下时，意味着“房子”密度太高，“城市”已经非常拥挤。这会导致“短沟道效应”和“功耗墙”两大问题，“短沟道效应”容易导致电流“乱跑”，“功耗墙”则导致芯片越来越烫、耗电越来越大。

“这两个问题捆在一起，让传统硅基芯片的性能很难再获突破，摩尔定律逼近物理极限，探索新的半导体芯片材料迫在眉睫。”论文通讯作者、国防科技大学前沿交叉学科学院朱梦剑研究员介绍，原子级厚度的二维半导体因迁移率高、带隙可调、栅控能力强，被视为后摩尔时代芯片材料的核心候选。然而，晶格缺陷诱导的自发电子掺杂和费米能级钉扎效应，使现有二维半导体材料体系长期呈现N型材料多、P型材料少，以及N型材料性能好，P型材料性能差的结构性失衡问题。

“芯片里的晶体管需要N型和P型配对工作，高性能P型材料的缺失已成为制约亚5纳米节点二维半导体发展的关键，也是国际半导体领域激烈竞争的科学技术制高点。”朱梦剑介绍。

针对上述问题，朱梦剑和中国科学院金属研究所任文才研究员、徐川研究员联合团队建立了以液态金/钨双金属薄膜为衬底的化学气相沉积方法，实现了晶圆级、掺杂可调的单层WSi2N4（氮化钨硅）薄膜的可控生长。新的制备方法让二维材料的单晶区域尺寸达到了亚毫米级别，生长速率较已有文献报道值高出约1000倍。在晶体管性能方面，单层WSi2N4不仅空穴迁移率高、开态电流密度大，强度高、散热好，化学性质也很稳定，综合性能在同类二维材料中表现突出。

该研究结果表明，单层WSi2N4在二维半导体CMOS集成电路中具有广阔的应用前景，有望为后摩尔芯片技术开辟新的途径。