半導(dǎo)體集成電路正不斷向高密度、大規(guī)模以及小型化的方向發(fā)展，這就要求晶體管在不斷縮小尺寸的過(guò)程中性能持續(xù)增強(qiáng)。硅基半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)已延續(xù)摩爾定律的路線發(fā)展了數(shù)十年，現(xiàn)如今已經(jīng)接近物理極限，因?yàn)楫?dāng)晶體管尺寸接近分子甚至原子尺度時(shí)，“瓶頸效應(yīng)”愈發(fā)凸顯，比如短溝道效應(yīng)、功耗墻、電涌及電子擊穿等問(wèn)題。相較之下，二維半導(dǎo)體以其原子級(jí)厚度和優(yōu)異的柵極調(diào)控特性，被認(rèn)為是構(gòu)筑“后摩爾時(shí)代”新型半導(dǎo)體器件與集成電路的理想材料。據(jù)國(guó)際器件和系統(tǒng)路線圖（IRDS）預(yù)測(cè)，2028年將采用二維半導(dǎo)體進(jìn)行芯片制造。要實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)，亟需解決的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題就是尋找或設(shè)計(jì)具有高介電常數(shù)（k）且與二維半導(dǎo)體工藝兼容的優(yōu)質(zhì)介電材料。
近日，深圳大學(xué)物理與光電工程學(xué)院錢正芳特聘教授領(lǐng)銜的毫米波太赫茲技術(shù)研發(fā)的深圳市孔雀團(tuán)隊(duì)在二維高k介電氧化物的研究方面取得重要進(jìn)展，在《自然.通訊》雜志發(fā)表了題為“Prediction of nonlayered oxide monolayers as flexible high-κ dielectrics with negative Poisson’s ratios”的研究論文。該研究提出一種新穎的晶面密排度方法，結(jié)合高通量計(jì)算實(shí)現(xiàn)了大量二維高k介電氧化物的篩選。深圳大學(xué)為第一完成單位，團(tuán)隊(duì)胡月博士后（一作），張秀文教授，黃浦副教授為論文的通訊作者。
該研究中，團(tuán)隊(duì)依托深圳市孔雀團(tuán)隊(duì)和射頻異質(zhì)異構(gòu)集成國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室發(fā)展了一種晶面密排度方法，成功篩選出大量性質(zhì)優(yōu)異的二維高k氧化物。團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)51種有望被解離出二維形態(tài)的介電氧化物，基本屬性涵蓋了金屬和絕緣體/半導(dǎo)體，并揭示了其豐富的物理特性，比如超高k值（99）、顯著的負(fù)泊松比（NPRs：-0.094~-0.431）、巨大的谷自旋劈裂（~211?meV）、和鐵磁/反鐵磁、鐵電、鐵手、鐵彈以及多鐵耦合等。其中，二維GeO2可以與MoSe2和HfSe2形成I型異質(zhì)結(jié)，產(chǎn)生約1 eV的帶邊偏移，有望顯著降低載流子向電介質(zhì)的肖特基發(fā)射引起的漏電流。團(tuán)隊(duì)成果不僅為“后摩爾時(shí)代”新型半導(dǎo)體集成電路向尺寸小型化和功能多樣化發(fā)展邁出了重要一步，更為以實(shí)際應(yīng)用為目標(biāo)導(dǎo)向的新原理半導(dǎo)體材料/器件設(shè)計(jì)提供了一種新型范式。
圖1 國(guó)際半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展路線和新型二維集成電路設(shè)計(jì)中面臨的問(wèn)題
項(xiàng)目支持：
廣東省自然科學(xué)基金青年提升項(xiàng)目，二維鐵-反鐵電半導(dǎo)體的逆向設(shè)計(jì)與光致相變動(dòng)力學(xué)研究，2023A1515030086，2023/01-2025/12，30萬(wàn)，在研，主持
廣東省自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目，具有高負(fù)泊松比的二維半導(dǎo)體材料篩選及其光電器件構(gòu)筑，2022A1515011990，2022/01-2024/12，10萬(wàn)，在研，主持
深圳市自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目，面向新一代光子芯片的可切換相變半導(dǎo)體的逆向設(shè)計(jì)及光場(chǎng)調(diào)控，JCYJ20220531102601004，2022/07-2025/06，30萬(wàn)，在研，主持
國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)，青年基金項(xiàng)目，11804230，邊界極性調(diào)控TMDCs納米材料激子躍遷的微觀機(jī)理研究，2019/01/01-2021/12/31，30萬(wàn)，結(jié)題，主持
深圳市孔雀團(tuán)隊(duì)，毫米波太赫茲通訊關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)團(tuán)隊(duì)，KQTD20180412181422399，2019/10-2024/10，2000萬(wàn)，在研，參與
國(guó)家重大科研儀器研制項(xiàng)目，原子時(shí)間過(guò)程的單次全光高分辨成像關(guān)鍵技術(shù)和設(shè)備，61827815，2019/01-2023/12，621萬(wàn)，在研，參與
論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-023-42312-4
（物理與光電工程學(xué)院）
