最低功耗二维环栅晶体管，中国团队首发

如果您希望可以时常见面，欢迎标星收藏哦~

来源：内容来自北京大学，文字：王岩，谢谢。

近日，北京大学化学与分子工程学院彭海琳教授团队与电子学院邱晨光研究员团队合作，研制出世界首例低功耗高性能二维环栅晶体管及逻辑单元，成果在《自然-材料》发表。该晶体管的速度和能效同时超过了硅基物理极限，是世界上迄今速度最快、能耗最低的晶体管。该工作有望推动芯片领域新一轮技术革新，为我国先进制程集成电路制造技术发展赢得主动。

彭海琳团队合影（右一为彭海琳）

小小器件何以具备如此强大的性能？融媒体中心记者采访了彭海琳教授及其团队成员，他们为记者讲述了团队的“芯”路历程，以及成果对推动中国芯片技术高质量发展的意义。

实现技术“跨代”

二维环栅晶体管，顾名思义，“二维”指二维半导体材料、“环栅”表示栅极全环绕包围半导体沟道的结构。二维环栅晶体管是未来集成电路芯片功耗缩放与性能释放的最优解之一，这已成为学术界和工业界的共识，但是当前最高水平的二维环栅晶体管的性能与功耗尚不能和主流硅基晶体管相比，此外还缺乏规模化制备二维环栅晶体管异质结的手段。彭海琳团队的最新成果从材料、架构双维度实现了二维环栅晶体管技术的革新，速度和能效均超过了硅基晶体管物理极限。

一直以来，集成电路技术的发展在“摩尔定律”的驱使下，始终依靠器件尺寸的微缩、集成密度的加大，从而在单位面积上实现算力的提升。由于材料、架构的限制，集成电路发展到一定阶段就会遇到算力增长的“瓶颈”，每当这时，集成电路技术就会在原理层面出现重大创新，晶体管“更新换代”，冲破原有“硬件”限制，让芯片算力在一个新的层面继续提升。

具体而言，在集成电路技术的发展历程中，硅基晶体管尺寸的微缩促进了集成电路密度和算力的提升，但由于短沟道效应等限制，栅极对平面沟道导电通道的静电控制能力下降，导致漏电流增加和功耗上升等问题。为了解决栅极对沟道的静电控制问题，研究人员在器件架构上“做文章”，于是新一代技术——鳍式场效应晶体管（FinFET）于20世纪90年代初期诞生了。这种鳍式晶体管将原先的平面电路“原地拔高”，使沟道呈直立“鳍片”形状分布，这样的器件沟道在结构上产生与栅极更大的接触面积，从而增强了栅极对器件导电通道的控制能力。如果将普通晶体管电路看作条条马路，那鳍式晶体管就类似拔地而起的座座高楼。2011年，英特尔推出商业化的鳍式晶体管技术，从22纳米节点开始主导了集成电路微缩制程工艺，也是当前最先进的商用3纳米芯片制程的主流架构。

二维环栅晶体管及三维异质集成示意图

但随着集成电路密度进一步增大，在3纳米节点以下，因面临物理极限与工艺难度挑战，鳍式晶体管结构在沟道电流控制方面再次遇到瓶颈，算力难以提升且功耗急剧增大，于是“新一代”技术——环栅晶体管（GAAFET）应运而生。这种环栅结构将原先“高楼”的“地基”去掉，让这些“空中楼阁”沟道与栅极四面全环绕包围，接触面进一步增加，再次增强栅极对沟道电流的控制，让晶体管获得更高的速度和更低的功耗。从外观看，可以将环栅晶体管结构比拟为四通八达的立交桥。以硅基作为主要沟道材料的环栅晶体管技术作为最先进的2纳米节点技术，目前日趋成熟，即将在市场上得到推广。

在硅基晶体管架构不断发展迭代的基础上，由于硅基材料已接近其物理极限，人们一直没有停止寻找比硅基更为理想的沟道材料。相比传统的硅基材料，二维半导体材料具有表面无悬挂键、原子级均匀厚度和高迁移率等特性，被看作“后硅材料”。全球众多知名半导体公司和研究机构都在致力于此器件材料的研发。以二维材料加持的环栅结构的晶体管，被业界看作更新一代的晶体管结构。不过，此类器件面临源漏接触、栅介质材料及界面等多重挑战，性能与功耗仍无法与业界硅基晶体管相媲美。这也是让该技术目前还停留在概念阶段的主要瓶颈所在。

彭海琳团队运用自主研发的新型高迁移率铋基二维半导体材料（硒氧化铋，Bi2O2Se）及其高介电常数自然氧化物栅介质（Bi2SeO5），将其用于制作最先进的二维环栅晶体管，可谓对晶体管进行“跨代升级”。该二维半导体沟道与层状自然氧化物栅的界面结构原子级平整，缺陷极少，性能稳定，能极大减少对电子散射和电流损耗，如同“内壁光滑的水管”让水流在水管里毫无阻力地高速流动；这种材料的层状氧化物的介电常数大，制成的控制栅极可以做得非常薄而不漏电，从而使所需控制电流开关的栅控电压大幅减小，实现了提升算力、降低漏电的同时还将能耗降到最低。

在相同工作条件下，该铋基二维环栅晶体管的性能超越英特尔、台积电、三星、比利时微电子中心报道的最先进环栅晶体管；其运算速度和能效同时超越当前商用硅基晶体管的最佳水平。

论文截图

目前团队已制作出二维环栅晶体管的小型逻辑单元，正在为下一步规模逻辑器件量产积累经验和奠定基础。现阶段，该晶体管还可以用于制造高性能传感器和柔性电子器件。而团队也发现该二维环栅晶体管的更大潜力。“铋基二维晶体管具有丰富的科学内涵和很好的应用前景，我们正开展更深入研究，随着技术优化，该类晶体管有望实现传感、存储、计算一体化集成功能，这种感存算一体化将引发更具竞争力的技术革新。”彭海琳告诉记者。

欢迎“不寻常”

值得说明的是，新型高迁移率铋基二维半导体材料（硒氧化铋，Bi2O2Se）及其高介电常数自然氧化物栅介质（Bi2SeO5）是极少数具有与商用硅基（Si/SiO2）类似优势的材料体系，也是屈指可数的由我国科学家自主开发的材料体系。彭海琳说，这种具备不寻常性能的晶体管材料最初是在一次“不寻常”的实验中诞生的。

10年前，课题组研究生吴金雄在一次拓扑绝缘体硒化铋纳米片制备的实验中，由于制备系统参数控制出现些许误差，导致实验过程中掺入了氧，制备的材料也没有达到预期的标准，反而制得了一种方形纳米薄片晶体——二维硒氧化铋。正当吴金雄准备重新排除氧做硒化铋实验时，彭海琳让他停一停。

在材料物理化学领域深耕多年的彭海琳对相关重点领域主要材料的性能了如指掌，同时对集成电路前沿领域进展也高度关注，未曾间断地寻找着适用于新原理、新架构晶体管制作的新材料。“这项工作非常难，因为你不但要找到适合做半导体沟道的材料，还要找到其对应的匹配高性能氧化物用作晶体管的栅介质，这些条件同时符合的概率非常低。”

看到实验结果的彭海琳顿生“那人却在灯火阑珊处”之感，他敏锐地察觉到，这次实验失败得到的硒氧化铋二维新材料可能“非同寻常”。

彭海琳带领团队对这种新型铋基二维半导体材料进行了系统全面的评估和研究，发现其具有超高迁移率、合适带隙、高稳定性、理想氧化物栅介质，可批量制备等特点，各项参数都完美符合“后摩尔时代”半导体新材料的工业综合要求。而且，对应的氧化物栅介质同样符合工业要求，与二维半导体形成了一类完美的“类硅（硅/二氧化硅）材料体系”。彭海琳坚信这种材料在半导体行业和集成电路器件制造领域的巨大潜力，于是便调整课题组研究方向，带领一部分组员，全面开展这种新材料研发工作，并全力投入到最新架构的集成电路器件研发工作中。

彭海琳课题组从2017年率先在《自然-纳米技术》发文报道这种二维硒氧化铋新材料的优异半导体性能，2020年在《自然-电子学》率先报道其自然氧化物高k栅介质，2023年在《自然》发文报道全球首例外延集成型二维鳍式晶体管，再到今年最先进的二维环栅晶体管问世，其间，彭海琳课题组不断发表阶段性成果，在该领域深耕，向着得到完美器件的目标坚定行进。彭海琳认为：“如果方向正确，持续努力，成果的取得只有时间早晚的区别。”

在彭海琳看来，机会是留给有准备的人。能够把握住机缘，归根到底还是靠其背后充分的前期准备工作、良好的科研品味以及敏锐的洞察力——这也是他一直希望他的学生通过训练掌握的能力。

“要重视实验细节，遇到反常结果就拿小本子记下来。”这是彭海琳经常嘱咐团队成员保持的习惯。他要求同学们不仅要有洞察力、透过现象看到本质的能力，还要有扎实的分析能力和思考能力，能解释反常现象背后的原理、总结规律。

这次成果通讯作者之一、化学学院的谭聪伟副研究员印象深刻的是，一次在做实验的过程中，他得到的二维半导体硒氧化铋材料的纳米片结构有些“反常”，其状态并非能量最低的“躺平”结构，而是像“鱼鳍”一样耸立的鳍式结构。这种看似违反“常规”的现象让他意识到，其背后必有特殊的规律。经过与彭海琳的深入研讨、分析发现，这种二维鳍片材料的侧边与生长基片表面有着外延关系，具有比一般材料更好的结合力。他们也将这个思路运用到全球首例外延集成型二维鳍式晶体管材料的研制中，成果发表在《自然》上，被评选为2023年度中国半导体十大研究进展和中国芯片科学十大进展。

本科为化学专业，博士期间研究物理化学，博士后期间专攻能源材料化学，现在主要研究方向为材料物理化学与纳米器件……彭海琳是一位典型的在跨学科背景下成长的科学家。他的团队成员来自化学学院、物理学院、材料科学与工程学院、电子学院以及前沿交叉学科研究院。不同的专业背景，让每次组会充满思想性、思辨性，团队成员乐于听到角度不同的观点，听到“不寻常”的解释。思想的碰撞，让灵感的火花不断涌现。

不拘于常规方法、敢于提出新观点、推出新体系，既敢于做“最新”，也勇于做“最好”，是彭海琳团队的价值观。

“如果将在现有材料基础上开展芯片技术革新比作‘弯道超车’，研制二维材料晶体管就是‘换道超车’。”在彭海琳看来，不走寻常路，固然是“卡脖子”境遇下的无奈之举，但可以倒逼着我们从新的角度找到解决问题之道，真正实现“自立自强”。

当今世界硅基材料最先进制程工艺也达到3纳米节点。中国大陆的制造工艺暂时还不能生产出同等精度的硅基晶体管。但如果以中国大陆现有加工技术制造的该新型二维环栅晶体管，据课题组预估，其速度已可以达到国际上最先进硅基芯片的约1.4倍，而能耗仅为其90%。随着制造工艺精度的提升，这些指标将与硅基器件进一步拉大领先优势。

“在新领域航行确有风险，但是，不走出舒适区，在‘寻常路’上跟着别人亦步亦趋，怎么能取得原创性成果、实现领跑？”彭海琳如是说。

“行远必自迩”

此次彭海琳团队还与邱晨光研究员团队进行合作，运用北大电子学院高精度加工平台，使得研究团队的短沟道二维环栅器件构想得以更好地实现，从而为与硅基晶体管进行性能对比提供了直观的样本，向着探索后续产业化技术潜力的工作迈出了第一步。

彭海琳团队在工作中

在彭海琳眼中，这次成果还只是阶段性工作，现在要做的事情还很多。“硅基晶体管之所以发展这么快，单晶硅能做到12英寸，就是早期有一大批科研人员在解决原材料问题上扎扎实实地开展研究，今天我们面对任何一种新的材料，同样要沉下心来把材料性能搞得明白透彻，在材料制备工艺和器件工艺上做到精益求精。只有脚踏实地把每一步走好，才能让技术应用的道路更加顺畅。”

彭海琳团队还从事着石墨烯产业化核心技术研发应用工作。新兴材料石墨烯在新能源、电子器件、生物医学等领域都有巨大应用潜力。尽快推动这些技术造福于民、服务经济社会发展，始终是彭海琳的初心和愿景。“制备决定未来”，只有扎扎实实地攻克新材料的稳定制备和工程化量产，才能奠定新材料应用基础。彭海琳研究团队之前就成功研制了石墨烯单晶晶圆及相关制备装备，并与合作者建设了生产线，实现了石墨烯晶圆的量产，开发了高性能的石墨烯光电器件和石墨烯电镜载网产品。当前，他们正在打通铋基二维新材料的制备“方法-工艺-装备”关键环节，做出符合工业界生产要求尺寸的晶圆，让材料制备更加可靠稳定，为技术应用落地打好基础。“下一步要让二维环栅晶体管这个体系的优势充分展现出来。”

当然，彭海琳还忙于将他的理念薪火相传，培育科技创新后备军。“自由探索需要迈过使命感这个‘门槛’，”彭海琳说，“为加快实现国家高水平科技自立自强贡献智慧和力量，就是我们现在的方向和使命。”

身为院长的彭海琳行政事务繁重，但他坚守在教学与科研一线，自2020年以来，连续5年获得北京大学优秀博士学位论文指导教师。他的团队定期组织每周的组会和多次小组讨论。“定期开组会很重要，赶上出差我就在线上参加组会和讨论，并提一些建议。”有时候，研究小组一段时间经过努力也没有得到理想的实验结果，彭海琳就鼓励大家：“创新型研究往往要克服很多困难，失败是常有的，要有容‘错’纠‘错’机制。”他的团队着眼长远，从不因一时困难而气馁，善于从失败汲取价值，坚持不懈，久久为功。

“课题组的师生都能沉下心来，朝着既定目标努力，在有组织的基础上自由探索，发挥各自的优势。”在谭聪伟眼中，课题组有着活跃、有序、务实的文化氛围。

在先进制程集成电路制造这方全球半导体产业的“兵家必争之地”，未来的竞争势必愈发激烈，彭海琳和他的团队仰望星空、脚踏实地，他们坚信，以不变方能应万变，扎扎实实地做好本职工作，取得成果、赢得主动便是水到渠成的事。千千万万科技工作者如是“精耕细作”，中国科技自立自强的步伐将坚定前行。

（注：文中图片由原文受访者提供）

半导体精品公众号推荐

专注半导体领域更多原创内容

关注全球半导体产业动向与趋势

*免责声明：本文由作者原创。文章内容系作者个人观点，半导体行业观察转载仅为了传达一种不同的观点，不代表半导体行业观察对该观点赞同或支持，如果有任何异议，欢迎联系半导体行业观察。

今天是《半导体行业观察》为您分享的第4062期内容，欢迎关注。

『半导体第一垂直媒体』

实时 专业 原创 深度

公众号ID：icbank

喜欢我们的内容就点“在看”分享给小伙伴哦