超越硅極限二維晶體管誕生

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“在彈道輸運晶體管中，電子像子彈一樣穿過溝道沒有受到碰撞，能量沒有被散射損失掉，所以彈道率越高的器件，能量利用效率更高。”近日，北京大學電子學院研究員邱晨光向《中國科學報》解釋。

隨著硅基芯片逐漸接近摩爾定律物理極限，科學界和產業界都在不斷嘗試利用各種二維材料，開發出更優秀的新一代芯片。

近日，北京大學電子學院彭練矛院士、邱晨光研究員團隊研發出彈道二維硒化銦（InSe）晶體管，這是世界上迄今速度最快、能耗最低的二維半導體晶體管，其實際性能超過英特爾商用最先進的硅基晶體管。相關研究近日發表于《自然》。

據介紹，新晶體管室溫彈道率高達83%，遠高于硅基晶體管的彈道率（低于60%），有望實現兼具高性能和低功耗的芯片。

多位國際審稿人認為，這項研究解決了實現高性能二維晶體管的多個重要挑戰，是二維電子器件研究的重要里程碑，具有重要的科學意義。

瞄準“關鍵瓶頸”

芯片作為信息時代的“心臟”，為大數據和人工智能的發展提供源源不斷的動力。芯片速度的提升得益于晶體管的微縮，然而當前硅基芯片已接近摩爾定律物理極限。

計算機行業一直遵循著摩爾定律，即當價格不變時，在給定的集成電路面積上，容納比前一代多一倍的晶體管，使其性能提升一倍。但多年來的實踐表明，集成電路在性能提升的同時，短溝道效應等負面效應增加，集成難度、能耗和成本也在上升。

二維半導體材料則被認為是未來芯片溝道材料的下一個“風口”。

這種原子級厚度的材料具有超薄體、高遷移率等優勢，吸引了科學界和工業界的廣泛興趣。近年來英特爾、臺積電、三星和歐洲微電子中心等全球領先半導體制造公司與研究機構均對二維材料投入研究。

然而，受限于接觸電阻、柵介質等方面的瓶頸，迄今為止，所有二維晶體管所實現的性能均不能媲美業界先進硅基晶體管。

基于十多年來在納米器件領域的研究，該團隊針對二維電子學領域的底層核心問題和關鍵科學瓶頸進行攻關，希望挖掘二維半導體在電子學領域的最終潛力，制備出真正發揮低維材料本征優勢的二維晶體管。

他們選用二維硒化銦作為溝道材料，這種半導體材料具備遠超同類材料的絕佳物理特性。例如，擁有更高的室溫載流子遷移率（＞2000 cm2/Vs），更小的電子有效質量（0.14me），材料本征的熱速度可以更高。根據計算，其電學性能優于目前已知的幾乎全部的N型半導體材料（包括傳統的硅半導體）

“理論上，用二維硒化銦作為溝道的晶體管會擁有更高的極限性能。”論文第一作者、北京大學電子學院博士生姜建峰對《中國科學報》說。

然而，如何讓理論成為現實？這并非易事。

據介紹，臺積電技術研究處也將二維硒化銦列為最有潛力的N型半導體材料。但目前受限于實驗上的諸多挑戰，尚未實現近極限性能的硒化銦晶體管。

擺在硒化銦等二維半導體材料應用方面的一個國際難題是，這類材料與金屬接觸會形成“費米釘扎效應”，產生大接觸電阻，極大地限制了晶體管的速度。

“彈道晶體管在超短溝道傳輸時幾乎沒有散射，能量主要消耗在接觸處的金屬與半導體結中，這也是二維電子學中極難的核心瓶頸。”邱晨光研究員解釋說。

面對這一世界性難題，研究團隊通過總結和考察商用硅基晶體管接觸方面的成熟結構和策略，探索了一種在二維電子器件中實現歐姆接觸的全新方法，即固態源摻雜誘導相變技術，在全球率先將二維晶體管的器件總電阻推至近理論極限，刷新至124歐姆?微米，滿足集成電路未來節點對晶體管電阻的要求（220歐姆?微米）。

國際審稿人對這一技術革新給予了高度評價。他們認為，接觸電阻一直是二維半導體電子產品發展的一個主要瓶頸，研究者創新性地發展出新方法來克服了這個重大挑戰，實現了創紀錄的低接觸電阻，為展示高性能二維晶體管樹立了標桿。

打破硅基芯片終極“紅墻”

國際半導體器件與系統路線圖（IRDS）預測，硅基晶體管的極限柵長將停止在12 納米，工作電壓不能小于0.6 伏。這定義了未來硅基芯片縮放過程結束時的最終集成度和功耗。

對標業界IRDS所預測的硅基器件發展路線圖，邱晨光研究員表示，彈道二維硒化銦晶體管打破了四個硅基“終極紅墻”。

首先，二維硒化銦晶體管溝長縮小到10納米，超越硅基極限12納米，同時可保持理想的亞閾值擺幅75毫伏量程，器件關態特性超過英特爾商用10納米節點的硅基最優FinFET晶體管。其次，工作電壓可縮小到0.5伏，超越2031年預計硅基極限0.6伏。同時，門延時縮減到0.32皮秒，相當于四倍優勢于硅基極限（1.26皮秒）。此外，功耗延遲積（縮減到4.32 ×10-29焦秒/微米）比硅基極限低一個量級。

姜建峰向《中國科學報》表示，這意味著未來利用硒化銦晶體管構建的大規模集成電路，比硅基電路在低數倍功耗的條件下具備更高的性能和處理速度，有望實現兼具高性能和低功耗的芯片。

“這無疑是迄今為止性能最高的二維晶體管，說明二維材料晶體管的真實性能（不僅僅在理論上）已經超過了最先進的硅基晶體管。”該論文國際審稿人評價。

開啟電子器件“新里程”

從被學界與業界寄予厚望，到真正研制出世界上迄今速度最快、能耗最低的二維半導體晶體管，這項“里程碑”式的突破背后，凝聚了研究團隊從2019年到2022年前后四年里持之以恒的探索與大膽創新。

它所帶來的技術革新是多方面的。

除了解決電子器件總電阻方面的國際難題，研究團隊還創新性地采用高載流子熱速度（更小有效質量）的三層硒化銦作溝道，實現了室溫彈道率高達83%，遠高于硅基晶體管的彈道率（小于60%），為目前場效應晶體管的最高值。

他們還解決了二維材料表面生長超薄氧化層的難題，制備出2.6納米超薄雙柵氧化鉿，將器件跨導提升到6毫西?微米，超過所有二維器件一個數量級。

對此，審稿人認為，這項研究解決了實現高性能二維晶體管的多個挑戰，為二維晶體管研究領域的標志性里程碑式工作。

接下來，邱晨光表示研究團隊將聚焦二維電子學的幾個重要研究方向進行攻關，如二維器件的P型歐姆接觸、二維材料的晶圓級單晶的大面積生長與轉移、二維器件的標準化集成加工工藝及其與硅基和碳基的異構集成等，從而希望加速二維材料芯片技術的發展進程。

本研究共四位作者，姜建峰與北京大學電子學院博士徐琳為并列第一作者，彭練矛和邱晨光為共同通訊作者，北京大學電子學院為論文唯一單位。

相關論文信息：

https://doi.org/10.1038/s41586-023-05819-w

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更快更省電的低維半導體芯片。受訪者供圖