二维过渡金属硫族化合物直接合成实现单片三维集成的突破路径

这篇综述系统探讨了二维过渡金属硫族化合物（2D TMDs）在三维（3D）集成技术中的革命性潜力。作者对比了传统硅基（Si）、III-V族和氧化物半导体的局限性，提出三种基于2D材料的集成策略（类型I-III），重点分析了低温直接合成单晶TMDs（如MoS2/WSe2）对解决通孔（TSV）热预算和界面缺陷问题的突破性意义，为下一代高密度、低功耗芯片开发提供理论框架。

　　

二维材料驱动的三维集成革命

The bigger picture
垂直三维集成技术虽能提升芯片密度，但传统硅基和III-V族半导体面临高温工艺（>400°C）、通孔（TSV）互连瓶颈以及超薄通道表面散射等根本性挑战。二维半导体（如MoS₂/WS₂）凭借原子级厚度、低温加工特性和范德华（vdW）界面，为突破这些限制提供了全新路径。

Summary
从平面转向垂直的三维集成是提升芯片性能的关键。二维过渡金属硫族化合物（TMDs）不仅能规避传统半导体在5nm以下节点的短沟道效应，其单层<1nm的厚度更可实现极致缩放。本文系统比较了硅基与全二维集成的优劣，指出低温合成单晶TMDs是消除TSV热预算的核心方案。

类型I：转移式集成
通过PDMS印章或卷对卷技术将预生长的2D TMDs（如MoS₂）转移到硅后端（BEOL）电路上，实现传感器-存储器-逻辑的垂直堆叠。典型案例包括Guan等将CVD生长的MoS₂ nFET与硅p-FinFET集成构建CMOS逆变器。但转移过程易引入褶皱和界面污染，导致器件性能离散。

类型II：多晶TMDs直接合成
采用混合前驱体MOCVD（金属有机化学气相沉积）在150°C低温下直接生长多晶MoS₂薄膜，电子迁移率达35.9 cm² V^?1 s^?1。通过分压控制硫/金属比，可在8英寸晶圆上实现均匀单层生长。但多晶薄膜的晶界缺陷限制了其在高速逻辑电路中的应用。

类型III：单晶TMDs突破
Kim团队开发的几何限制生长技术，在400°C以下于非晶基底上制备微米级单晶TMDs阵列。Moon提出的"hypotaxy"技术更实现4英寸晶圆级单层MoS₂生长，热导率（120 W m^?1 K^?1）和迁移率（87 cm² V^?1 s^?1）媲美机械剥离样品。该技术通过纳米多孔石墨烯调控金属膜硫化，直接构建nMOS/pMOS垂直互补结构。

挑战与展望
实现全二维集成的四大关键：1) CMOS兼容的低温（<200°C）合成；2) 范德华外延单晶生长；3) 低介电常数（low-k）层间介质；4) 晶圆级均匀性。当前p型WSe₂的合成质量仍落后于n型MoS₂，而二维材料固有的接触电阻、掺杂难题和栅介质沉积问题亟待突破。未来需开发新型粘合转移技术和原位掺杂工艺，才能推动该技术走向产业化。