恭喜马静怡在ACS Applied Material & Interfaces上发表论文

    随着国际半导体行业已经进入了“后摩尔时代”，对微电子新材料和新器件的研发提出了更高要求。以过渡金属硫族化合物（MoS₂、WS₂等）和黑磷等为代表的二维半导体材料，具有原子级厚度和丰富的能带结构，而且其平面制造工艺与现有的CMOS工艺相兼容，吸引了微电子学术和产业界的广泛关注。对我国当前半导体形势来说，发展基于二维半导体的芯片工艺也具有极其重要的战略意义。

    当前学术界对二维晶体管的原理性研究已经非常深入，但是其集成电路应用仍在探索的初期，这主要是因为原子级厚度的二维半导体对工艺环境极端敏感，所以传统半导体CMOS集成工艺不能直接照搬，而是需要借鉴并与二维材料的特点进行融合。例如对于顶栅场效应晶体管，阈值电压的可控调节对制造高性能、低功耗的集成电路具有重要意义。但是传统硅工艺中常用的离子注入会破坏二维材料的晶格并导致大量缺陷，并不适合二维体系。而学术界二维器件制备常用的“埋栅-转移”方法器件制作良率很低，不适合工程制造。

    通过借鉴硅基集成电路先进制程中的“high-k绝缘层/金属栅工艺”工艺，微电子学院包文中课题组提出了简便的非破坏性掺杂的顶栅晶体管电学性能调控工艺方法，通过利用具有不同功函数的金属栅极和电偶极子效应，设计了一种Al/Au双金属层栅极结构，在二维半导体晶圆上实现了对晶体管阈值电压的可控调节。

    该工作首先研究了具有不同功函数的金属栅极和Al/Au双金属层栅极结构对二维半导体晶体管的电学性能的调控作用，验证分析了金属Al氧化在栅介质中诱导的电偶极子效应。通过对生成Al₂O₃界面过程和能带结构的综合分析，证明了栅介质层中带正电的氧空位产生的电偶极子效应对二维半导体的非破坏性掺杂作用，并通过利用该效应和优化后的Al/Au双金属层结构对场效应晶体管的电学性能进行精确调控。优化匹配负载晶体管和驱动器晶体管制备性能可调且优异的反相器，获得了高电压增益、稳定可靠的逻辑电平和优异的噪声容限。基于优化获得的器件制备和调控工艺，还制备了包括基础逻辑门电路、加法器、D锁存器等在内的小规模功能性数字电路，器件性能优异且稳定。此工作成果结合日益成熟的晶圆级二维半导体生长技术，未来有望实现更复杂二维电路的单片集成。

    此工作以“Engineering top gate stack for wafer-scale integrated circuit fabrication based on two-dimensional semiconductors”为题发表在国际期刊ACS Applied Material & Interfaces上，微电子学院硕士生马静怡和博士生陈新宇为主要研究人员，苏州大学电子信息学院吴晨健教授提供测试支持，华东师范大学吴幸研究员提供了材料表征的支持。

    该工作还得到了重点研发计划纳米科技专项、上海市科委和教委的项目支持以及ASIC国家重点实验室的支持。