基于工作频率为GHz频率的2D半导体的集成电路

基于气隙器件结构的高性能MoS环形振荡器

晶体管是调节、放大和控制大多数现有设备内部电流的关键电子元件。近年来，电子工程师一直在努力寻找有助于进一步提高晶体管性能的材料和设计策略，同时减小其尺寸。

二维（2D）过渡金属硫族化合物具有一些有利的特性，有助于增强晶体管的能力。虽然过去的研究已经证明了这些材料在单个晶体管中的潜力，但它们在开发高频下工作的整个集成电路 （IC） 已被证明具有挑战性。

南京大学的研究人员最近基于二维半导体材料单层二硫化钼（MoS₂).他们的设备在Nature Electronics的一篇论文中介绍，依赖于MoS₂基于场效应晶体管 （FET）。

“自2012年第一个MoS₂晶体管的报告以来，已经取得了很大进展，”该论文的合著者Hao Qiu说。“然而，大部分进展都在设备层面。在电路层面，其工作频率被限制在13MHZ，远低于CMOS技术和碳纳米管技术。”

Hao Qiu和他的同事们最近研究的主要目标是实现一种超过GHz频率的快速二维半导体集成电路。为了做到这一点，该团队首先制造了一个环形振荡器(RO)，这是一种可调谐的电子电路，利用基于MoS2的晶体管产生特定频率的信号。

晶圆级MoS₂环形振荡器阵列

“RO是由5个逆变器级联成一个环，输出通过缓冲器读取，”Hao Qiu解释说。“每个逆变器都由一个增强(E)模式FET作为驱动器和一个耗尽(D)模式FET组成，栅极和源端连接为负载。由于在制造过程中很少有无意掺杂，因此制造的fet处于E模式。为了获得d模式场效应管，我们通过原子层沉积(ALD)在MoS2上沉积亚化学计量AlOx作为n掺杂层。

研究人员在一系列测试中评估了他们的集成电路，发现它可以在高达2.65 GHz的频率下工作。他们还进行了一系列的计算机模拟，以证明其设计的可扩展性及其满足2031年行业目标的潜力。

“我们采用了设计技术协同优化(DTCO)策略，并演示了可以在GHz频段工作的二维半导体集成电路，”Hao Qiu说。“我们的工作强调了DTCO在提高2D半导体电路级性能方面的关键作用。”

这组研究人员介绍的新设计最终可能有助于ic的未来改进和扩展。在接下来的研究中，Hao Qiu和他的同事计划继续研究他们的设备，以进一步提高它们的性能，促进它们的大规模制造，并使它们与现有的电子设备集成。

“除了提高集成水平，我们还在进一步优化二维半导体集成电路的性能、功率和面积，”Hao Qiu补充说。