集成电路产业是信息技术产业的核心，现已成为衡量国家产业竞争力和综合国力的重要标志之一。然而，我国集成电路产业虽然增长迅速，但仍是“卡脖子”最严重的重要领域之一。传统硅基集成电路沿着摩尔定律的发展路线，已经逼近尺寸微缩技术的物理极限，材料性能衰退、工艺技术复杂性提高等问题的日益凸显，集成电路发展进入了后摩尔时代。新材料与新器件已成为集成电路新赛道的关键核心技术，抓住集成电路“赛道”转换的关键时期，是我国集成电路打破传统赛道上长期受制于人局面，实现“换道超车”发展的重要机遇期。

   二维材料由于其带隙可调性、原子级厚度和无悬挂键的特征，使得它作为后摩尔时代场效应晶体管的沟道材料引起了学术界与工业界相当大的关注。与相同尺寸下的硅基器件相比，二维材料用于后摩尔时代的电子和光电器件时，具有高迁移率、低漏电流、低功耗和对短沟道效应优异的免疫性。然而，与硅材料不同，二维材料无法通过离子注入掺杂来实现纯p型和n型的场效应晶体管。尽管直接使用纯p型和纯n型的两种不同二维半导体材料也可以满足高性能器件构筑的需要，但同时使用两种不同的二维材料使得大规模和高精度集成面临巨大挑战，也就是说单极性输运的二维材料不适合大规模得器件集成。值得注意的是，一些二维材料电输运呈现出的双极性特征为单极性输运的可控调控提供了极大的便利，因此最新的相关技术、应用与机理研究亟需进一步探讨与系统分析总结，以推动后摩尔时代基于二维材料的大规模集成电路突破式发展。

   鉴于此，北京科技大学张跃院士、张铮教授与张先坤教授团队系统总结了双极性输运的二维材料在集成电路应用研究的历程，分析了双极性二维晶体管p/n调控在逻辑电子器件与光电探测器中的必要性与优势，深入探讨了接触工程、掺杂工程、静电调控等策略在二维材料电输运极性调控中的功能特色与作用机制，阐明了调控策略在大规模集成电路中的应用前景、瓶颈限制与未来的发展趋势，为二维材料在集成电路领域的进一步发展提供了独特见解与崭新思路。

   文章首先从能带结构的角度系统阐明了双极性输运的机制及其基本来源，厘清了原子结构、带隙、金半接触对双极性输运的影响规律，拓宽了二维材料电输运极性调控思路，有望突破二维材料可控掺杂挑战，为二维材料在后摩尔时代集成电路应用提供了全新技术路线。

图1 双极性输运机制与基本来源

   接下来详细梳理了双极性二维材料电输运极性调控的不同策略，包括接触工程、替位掺杂、表面电荷转移掺杂、静电掺杂，分析了这些调控策略的独特优势与不足，指出了双极性二维材料电输运极性调控面临的最关键挑战与机遇。对于接触工程，接触界面费米能级钉扎效应与器件的大规模集成是当前亟待解决的问题，作为一种有前景的解决方案，全二维金属半导体接触、应变材料和相工程不仅可以增强二维晶体管的驱动电流，并且可以很好地控制载流子传输极性。掺杂工程面临的关键挑战是非破坏性的工艺、掺杂浓度的精确可控和稳定的掺杂效果。作为一种非破坏性调控策略，静电掺杂已成为调控二维晶体管电性能的一种有效方法，然而，为了维持掺杂效果需要持续的施加栅压，从而造成额外的功耗。除此之外，该方法在器件构筑过程中还需要更多的工艺步骤，降低了该方法的实用性。相比之下，通过原子层沉积制备高k电介质并在2D材料中引入电荷转移，在工业上是一种可靠的解决方案。

表1 二维材料载流子输运极性的调控策略对比

论文信息：

Ambipolar-To-Unipolar Conversion in Ultrathin 2D Semiconductors

Mohammed Ismail Beddiar, Xiankun Zhang*, Baishan Liu, Zheng Zhang*, Yue Zhang*

Small Structures

DOI: 10.1002/sstr.202200125