傳統(tǒng)集成電路技術使用平面展開的電子型和空穴型晶體管形成互補結構，從而獲得高性能計算能力。

其密度的提高主要通過縮小單元晶體管的尺寸來實現(xiàn)。例如7nm節(jié)點以下業(yè)界使用極紫外光刻技術實現(xiàn)高精度尺寸微縮。

由于極紫外光刻設備復雜且對我國形成了高度的技術壟斷與封鎖，在現(xiàn)有技術節(jié)點下能夠大幅提升集成密度的三維疊層互補晶體管(CFET) 技術對我國重要意義凸顯。

美國Intel公司和歐洲微電子研究中心(IMEC)對于全硅基CFET的研究投入極大。

然而，全硅基CFET的工藝復雜度高且性能在復雜工藝環(huán)境下退化嚴重。因此，研發(fā)與我國主流技術高度兼容的CFET器件與集成，對于我國自主發(fā)展新型集成電路技術具有重要意義。

針對這一關鍵難題，復旦大學微電子學院的周鵬教授，包文中研究員及信息科學與工程學院的萬景研究員，創(chuàng)新地提出了硅基二維異質(zhì)集成疊層晶體管技術。

該技術利用成熟的后端工藝將新型二維材料集成在硅基芯片上，并利用兩者高度匹配的物理特性，成功實現(xiàn)4英寸大規(guī)模三維異質(zhì)集成互補場效應晶體管。

該技術在相同的工藝節(jié)點下將集成電路的集成密度翻倍，并獲得了優(yōu)越的器件性能。

相關成果以《硅和二硫化鉬異質(zhì)互補場效應晶體管》(Heterogeneous Complementary Field-effect Transistors Based on Silicon and Molybdenum Disulfide)為題于北京時間2022年12月08日發(fā)表于國際頂尖期刊《自然電子學》(Nature Electronics)。

復旦大學研究團隊將新型二維原子晶體引入傳統(tǒng)的硅基芯片制造流程，實現(xiàn)了晶圓級異質(zhì)CFET技術。

相比于硅材料，二維原子晶體的原子層精度使其在小尺寸器件中具有優(yōu)越的短溝道控制能力。利用硅基集成電路的標準后端工藝，將二硫化鉬(MoS2)三維堆疊在傳統(tǒng)的硅基芯片上，形成p型硅-n型二硫化鉬的異質(zhì)CFET結構。

二硫化鉬的低溫工藝與當前硅基集成電路的后端工藝流程高度兼容，大幅降低了工藝難度且避免了器件的退化。

此外，兩者的載流子遷移率接近，器件性能高度匹配，使異質(zhì)CFET的性能優(yōu)于傳統(tǒng)硅基及其他材料。

其反相器增益在3V供電時高達142.3 V/V ，在超低壓供電0.1V時其增益達1.2 V/V且功耗低至64pW。

團隊還驗證了該新型器件在 “全在一”光電探測及氣體傳感中的應用。

目前，基于工業(yè)化產(chǎn)線的更大尺寸晶圓級異質(zhì)CFET技術正在研發(fā)中。

該技術未來將進一步提升芯片的集成密度，滿足高密度處理器，存儲器及人工智能等應用的發(fā)展需求，并助力我國打破國外在大規(guī)模集成電路領域的技術封鎖。

工作得到了科技部重點研發(fā)計劃、上海市探索者計劃等項目的資助，以及教育部創(chuàng)新平臺和專用集成電路與系統(tǒng)國家重點實驗室的支持。