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清华团队阐释层状半导体芯片新材料的横向结电子器件应用

先进芯片是当前信息社会和人工智能时代的最底层科技基石,掌握新一代芯片的材料、工艺、器件、设计、制造是相当长时间内科技战略创新的主战场之一。由于经典的几何微缩的摩尔定律在2003年90nm节点,和等效的摩尔定律在2020年7nm节点都相继失效,硅基晶体管的微缩速度大大降低,主要原因是晶体管在多个几何维度进入了亚10nm尺度,传统半导体材料的量子效应开始显现,继续微缩遇到了很大的材料、工艺、器件结构、制造良率和成本的挑战。因此,在后摩尔时代,如何通过基础研究,尤其是芯片新材料和新型器件的创新推动下一代高性能芯片的发展是当前最有挑战性的研究方向之一。

以过渡金属二硫属化合物为代表的层状半导体材料是被认为是最有潜力的芯片新材料之一,由多种层状半导体材料材料组成的横向结,例如同质结、异质结、混合多级结与超晶格结等,具有多种可调谐的电学与光学特性,为下一代高性能电子器件发展提供了全新的研究自由度,也为开发基于新原理与结构的并超越传统半导体材料的新一代芯片提供了全新的研究方略。

近日,结合团队在该领域的多项研究成果,乐鱼全站app王琛助理教授、李正操教授和物理系熊启华教授等系统提出横向层状半导体结的总体研究框架(图1),并在此基础上梳理了近年来横向结的精细可控合成、电子结构调制与光学性能调控、新结构高性能逻辑器件与光电器件的原型器件和应用,并对困扰业界多年的横向结器件独特性能优势、最优横向结器件的结宽标准等争论焦点给与系统梳理,并为未来此类芯片新材料横向结的发展给出了系统分析和前景展望(图2)。


图1 横向层状半导体结的总体研究框架


图2 层状半导体横向结的核心研究脉络和广阔发展前景


本工作围绕横向层状半导体结的可控合成、多维度性能调控与高性能器件制备,以“基于层状半导体横向结的新型电子器件应用(Lateral layered semiconductor multijunction for novel electronic devices)”为题,于4月28日在线发表在国际材料领域高影响力期刊《皇家化学会评论》(Chemical Society Reviews)上。

乐鱼全站app2021级博士研究生张思勉和邓晓楠为论文共同第一作者,乐鱼全站app王琛助理教授、李正操教授和物理系熊启华教授为本文的共同通讯作者,乐鱼全站app吕瑞涛副教授、刘锴副教授也对本工作给予了大力支持,相关研究工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金和清华-佛山创新专项基金的支持。

乐鱼全站app王琛助理教授课题组致力从芯片新材料与后摩尔集成芯片两个端口,多维度开展新型半导体材料、芯片互联材料、下一代半导体工艺、新原理高性能器件、多源异质集成微系统和新一代芯片的系统性基础研究和融合性应用研究。乐鱼全站app李正操教授课题组长期致力于材料设计与辐照效应、核能材料与系统安全等的研究。物理系熊启华教授课题组长期致力于凝聚态光谱学、超快光谱学、微腔增强光-物质相互作用、光子学和光电子学器件的研究。

论文链接:

https://doi.org/10.1039/D1CS01092A

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