復旦最新成果：用于規?；呻娐分圃斓?2英寸高質量二維半導體問世

二維半導體是集成電路工藝發展到1nm節點最受關注的新路徑。雖然國際工業界認為引入二維半導體可以在CMOS平面工藝中有效解決晶體管尺寸縮放過程中的問題，但其重要發展瓶頸之一在于需要提供高質量、快速生產的大規模晶圓。迄今為止，世界上主要的頭部企業例如英特爾，三星，臺積電和歐洲的IMEC研發中心都在二維半導體上投入了大量資源，并積極引入國際領軍團隊。當前研究人員開發了多種策略來制備大面積二維半導體，其中化學氣相沉積（CVD）是普遍看好的技術。但是主要研究更多注重實驗室級別的性能（Performance）提升，并沒有充分考慮材料生長的規模（Scale）和成本（Cost）。

北京時間2023年9月29日，復旦大學周鵬-包文中團隊取得重大研究進展，發明了一種面向集成電路制造的二維材料生長方法，能夠在工業界主流12英寸（300毫米）晶圓上進行均勻和單層材料的快速生長，相關成果以“12-inch growth of uniform MoS2 monolayer for integrated circuit manufacture”為題發表于國際頂級期刊《自然·材料》（Nature Materials）。這項工作不僅提供了二維材料CVD生長的新思路，實現了從0到1的突破；同時也聚焦二維半導體的集成電路應用，充分考慮了規模-成本-性能（S-C-P）指標的協同優化，著眼于從1到10的轉化。

傳統二維材料CVD生長的難點在于原子級的精準可控與批次重復性，這需要對諸多控制參數進行協同優化，包括生長襯底的特殊處理。此成果開創性的采用了海綿緩釋結構的前驅體設計，以及流體動力學優化的多硫源分布，從而實現了二維材料的準靜態生長；同時在任意襯底（包括硅）通過原子層沉積生長特殊緩沖層，精確控制均勻單層成核，最終獲得了大面積二維半導體均勻生長技術，并且對于多種二維半導體均可適用，在15分鐘就可快速實現12英寸晶圓內低缺陷的二維單層全覆蓋。得益于能夠在任意襯底上進行生長，研究者還展示了絕緣體上硅（SOI）的晶圓結構流程制作晶體管陣列，避免了復雜轉移方法。本成果展示的絕緣體上二維材料（2D-OI）具有原子級的半導體溝道，在先進制程中可以充分發揮二維半導體的優勢。此外材料表征結果證明，生長的二維薄膜晶粒間有著良好的原子級拼接，在室溫下二維晶體管的電學性能和晶粒大小、多晶晶界并沒有直接關聯，統計結果顯示了優異的器件電學均一性。這些發現為二維半導體提供了從實驗室向產業界過渡的發展路徑。