如果您希望可以時常見面，歡迎標星收藏哦~

近日，北京大學化學與分子工程學院彭海琳教授團隊與電子學院邱晨光研究員團隊合作，研制出世界首例低功耗高性能二維環柵晶體管及邏輯單元，成果在《自然-材料》發表。該晶體管的速度和能效同時超過了硅基物理極限，是世界上迄今速度最快、能耗最低的晶體管。該工作有望推動芯片領域新一輪技術革新，為我國先進制程集成電路制造技術發展贏得主動。

彭海琳團隊合影

小小器件何以具備如此強大的性能？融媒體中心記者采訪了彭海琳教授及其團隊成員，他們為記者講述了團隊的“芯”路歷程，以及成果對推動中國芯片技術高質量發展的意義。

實現技術“跨代”

二維環柵晶體管，顧名思義，“二維”指二維半導體材料、“環柵”表示柵極全環繞包圍半導體溝道的結構。二維環柵晶體管是未來集成電路芯片功耗縮放與性能釋放的最優解之一，這已成為學術界和工業界的共識，但是當前最高水平的二維環柵晶體管的性能與功耗尚不能和主流硅基晶體管相比，此外還缺乏規?；苽涠S環柵晶體管異質結的手段。彭海琳團隊的最新成果從材料、架構雙維度實現了二維環柵晶體管技術的革新，速度和能效均超過了硅基晶體管物理極限。

一直以來，集成電路技術的發展在“摩爾定律”的驅使下，始終依靠器件尺寸的微縮、集成密度的加大，從而在單位面積上實現算力的提升。由于材料、架構的限制，集成電路發展到一定階段就會遇到算力增長的“瓶頸”，每當這時，集成電路技術就會在原理層面出現重大創新，晶體管“更新換代”，沖破原有“硬件”限制，讓芯片算力在一個新的層面繼續提升。

具體而言，在集成電路技術的發展歷程中，硅基晶體管尺寸的微縮促進了集成電路密度和算力的提升，但由于短溝道效應等限制，柵極對平面溝道導電通道的靜電控制能力下降，導致漏電流增加和功耗上升等問題。為了解決柵極對溝道的靜電控制問題，研究人員在器件架構上“做文章”，于是新一代技術——鰭式場效應晶體管于20世紀90年代初期誕生了。這種鰭式晶體管將原先的平面電路“原地拔高”，使溝道呈直立“鰭片”形狀分布，這樣的器件溝道在結構上產生與柵極更大的接觸面積，從而增強了柵極對器件導電通道的控制能力。如果將普通晶體管電路看作條條馬路，那鰭式晶體管就類似拔地而起的座座高樓。2011年，英特爾推出商業化的鰭式晶體管技術，從22納米節點開始主導了集成電路微縮制程工藝，也是當前最先進的商用3納米芯片制程的主流架構。

二維環柵晶體管及三維異質集成示意圖

但隨著集成電路密度進一步增大，在3納米節點以下，因面臨物理極限與工藝難度挑戰，鰭式晶體管結構在溝道電流控制方面再次遇到瓶頸，算力難以提升且功耗急劇增大，于是“新一代”技術——環柵晶體管應運而生。這種環柵結構將原先“高樓”的“地基”去掉，讓這些“空中樓閣”溝道與柵極四面全環繞包圍，接觸面進一步增加，再次增強柵極對溝道電流的控制，讓晶體管獲得更高的速度和更低的功耗。從外觀看，可以將環柵晶體管結構比擬為四通八達的立交橋。以硅基作為主要溝道材料的環柵晶體管技術作為最先進的2納米節點技術，目前日趨成熟，即將在市場上得到推廣。

在硅基晶體管架構不斷發展迭代的基礎上，由于硅基材料已接近其物理極限，人們一直沒有停止尋找比硅基更為理想的溝道材料。相比傳統的硅基材料，二維半導體材料具有表面無懸掛鍵、原子級均勻厚度和高遷移率等特性，被看作“后硅材料”。全球眾多知名半導體公司和研究機構都在致力于此器件材料的研發。以二維材料加持的環柵結構的晶體管，被業界看作更新一代的晶體管結構。不過，此類器件面臨源漏接觸、柵介質材料及界面等多重挑戰，性能與功耗仍無法與業界硅基晶體管相媲美。這也是讓該技術目前還停留在概念階段的主要瓶頸所在。

彭海琳團隊運用自主研發的新型高遷移率鉍基二維半導體材料及其高介電常數自然氧化物柵介質(Bi2SeO5)，將其用于制作最先進的二維環柵晶體管，可謂對晶體管進行“跨代升級”。該二維半導體溝道與層狀自然氧化物柵的界面結構原子級平整，缺陷極少，性能穩定，能極大減少對電子散射和電流損耗，如同“內壁光滑的水管”讓水流在水管里毫無阻力地高速流動；這種材料的層狀氧化物的介電常數大，制成的控制柵極可以做得非常薄而不漏電，從而使所需控制電流開關的柵控電壓大幅減小，實現了提升算力、降低漏電的同時還將能耗降到最低。

在相同工作條件下，該鉍基二維環柵晶體管的性能超越英特爾、臺積電、三星、比利時微電子中心報道的最先進環柵晶體管；其運算速度和能效同時超越當前商用硅基晶體管的最佳水平。

論文截圖

目前團隊已制作出二維環柵晶體管的小型邏輯單元，正在為下一步規模邏輯器件量產積累經驗和奠定基礎?，F階段，該晶體管還可以用于制造高性能傳感器和柔性電子器件。而團隊也發現該二維環柵晶體管的更大潛力。“鉍基二維晶體管具有豐富的科學內涵和很好的應用前景，我們正開展更深入研究，隨著技術優化，該類晶體管有望實現傳感、存儲、計算一體化集成功能，這種感存算一體化將引發更具競爭力的技術革新。”彭海琳告訴記者。

歡迎“不尋?！?/p>

值得說明的是，新型高遷移率鉍基二維半導體材料及其高介電常數自然氧化物柵介質(Bi2SeO5)是極少數具有與商用硅基(Si/SiO2)類似優勢的材料體系，也是屈指可數的由我國科學家自主開發的材料體系。彭海琳說，這種具備不尋常性能的晶體管材料最初是在一次“不尋常”的實驗中誕生的。

10年前，課題組研究生吳金雄在一次拓撲絕緣體硒化鉍納米片制備的實驗中，由于制備系統參數控制出現些許誤差，導致實驗過程中摻入了氧，制備的材料也沒有達到預期的標準，反而制得了一種方形納米薄片晶體——二維硒氧化鉍。正當吳金雄準備重新排除氧做硒化鉍實驗時，彭海琳讓他停一停。

在材料物理化學領域深耕多年的彭海琳對相關重點領域主要材料的性能了如指掌，同時對集成電路前沿領域進展也高度關注，未曾間斷地尋找著適用于新原理、新架構晶體管制作的新材料?！斑@項工作非常難，因為你不但要找到適合做半導體溝道的材料，還要找到其對應的匹配高性能氧化物用作晶體管的柵介質，這些條件同時符合的概率非常低?！?/p>

看到實驗結果的彭海琳頓生“那人卻在燈火闌珊處”之感，他敏銳地察覺到，這次實驗失敗得到的硒氧化鉍二維新材料可能“非同尋?！?。

彭海琳帶領團隊對這種新型鉍基二維半導體材料進行了系統全面的評估和研究，發現其具有超高遷移率、合適帶隙、高穩定性、理想氧化物柵介質，可批量制備等特點，各項參數都完美符合“后摩爾時代”半導體新材料的工業綜合要求。而且，對應的氧化物柵介質同樣符合工業要求，與二維半導體形成了一類完美的“類硅材料體系”。彭海琳堅信這種材料在半導體行業和集成電路器件制造領域的巨大潛力，于是便調整課題組研究方向，帶領一部分組員，全面開展這種新材料研發工作，并全力投入到最新架構的集成電路器件研發工作中。

彭海琳課題組從2017年率先在《自然-納米技術》發文報道這種二維硒氧化鉍新材料的優異半導體性能，2020年在《自然-電子學》率先報道其自然氧化物高k柵介質，2023年在《自然》發文報道全球首例外延集成型二維鰭式晶體管，再到今年最先進的二維環柵晶體管問世，其間，彭海琳課題組不斷發表階段性成果，在該領域深耕，向著得到完美器件的目標堅定行進。彭海琳認為:“如果方向正確，持續努力，成果的取得只有時間早晚的區別?！?/p>

在彭海琳看來，機會是留給有準備的人。能夠把握住機緣，歸根到底還是靠其背后充分的前期準備工作、良好的科研品味以及敏銳的洞察力——這也是他一直希望他的學生通過訓練掌握的能力。

“要重視實驗細節，遇到反常結果就拿小本子記下來。”這是彭海琳經常囑咐團隊成員保持的習慣。他要求同學們不僅要有洞察力、透過現象看到本質的能力，還要有扎實的分析能力和思考能力，能解釋反?，F象背后的原理、總結規律。

這次成果通訊作者之一、化學學院的譚聰偉副研究員印象深刻的是，一次在做實驗的過程中，他得到的二維半導體硒氧化鉍材料的納米片結構有些“反?！?，其狀態并非能量最低的“躺平”結構，而是像“魚鰭”一樣聳立的鰭式結構。這種看似違反“常規”的現象讓他意識到，其背后必有特殊的規律。經過與彭海琳的深入研討、分析發現，這種二維鰭片材料的側邊與生長基片表面有著外延關系，具有比一般材料更好的結合力。他們也將這個思路運用到全球首例外延集成型二維鰭式晶體管材料的研制中，成果發表在《自然》上，被評選為2023年度中國半導體十大研究進展和中國芯片科學十大進展。

本科為化學專業，博士期間研究物理化學，博士后期間專攻能源材料化學，現在主要研究方向為材料物理化學與納米器件……彭海琳是一位典型的在跨學科背景下成長的科學家。他的團隊成員來自化學學院、物理學院、材料科學與工程學院、電子學院以及前沿交叉學科研究院。不同的專業背景，讓每次組會充滿思想性、思辨性，團隊成員樂于聽到角度不同的觀點，聽到“不尋?！钡慕忉?。思想的碰撞，讓靈感的火花不斷涌現。

不拘于常規方法、敢于提出新觀點、推出新體系，既敢于做“最新”，也勇于做“最好”，是彭海琳團隊的價值觀。

“如果將在現有材料基礎上開展芯片技術革新比作‘彎道超車’，研制二維材料晶體管就是‘換道超車’?！痹谂砗Ａ湛磥?，不走尋常路，固然是“卡脖子”境遇下的無奈之舉，但可以倒逼著我們從新的角度找到解決問題之道，真正實現“自立自強”。

當今世界硅基材料最先進制程工藝也達到3納米節點。中國大陸的制造工藝暫時還不能生產出同等精度的硅基晶體管。但如果以中國大陸現有加工技術制造的該新型二維環柵晶體管，據課題組預估，其速度已可以達到國際上最先進硅基芯片的約1.4倍，而能耗僅為其90%。隨著制造工藝精度的提升，這些指標將與硅基器件進一步拉大領先優勢。

“在新領域航行確有風險，但是，不走出舒適區，在‘尋常路’上跟著別人亦步亦趨，怎么能取得原創性成果、實現領跑？”彭海琳如是說。

“行遠必自邇”

此次彭海琳團隊還與邱晨光研究員團隊進行合作，運用北大電子學院高精度加工平臺，使得研究團隊的短溝道二維環柵器件構想得以更好地實現，從而為與硅基晶體管進行性能對比提供了直觀的樣本，向著探索后續產業化技術潛力的工作邁出了第一步。

彭海琳團隊在工作中

在彭海琳眼中，這次成果還只是階段性工作，現在要做的事情還很多?！肮杌w管之所以發展這么快，單晶硅能做到12英寸，就是早期有一大批科研人員在解決原材料問題上扎扎實實地開展研究，今天我們面對任何一種新的材料，同樣要沉下心來把材料性能搞得明白透徹，在材料制備工藝和器件工藝上做到精益求精。只有腳踏實地把每一步走好，才能讓技術應用的道路更加順暢?！?/p>

彭海琳團隊還從事著石墨烯產業化核心技術研發應用工作。新興材料石墨烯在新能源、電子器件、生物醫學等領域都有巨大應用潛力。盡快推動這些技術造福于民、服務經濟社會發展，始終是彭海琳的初心和愿景。“制備決定未來”，只有扎扎實實地攻克新材料的穩定制備和工程化量產，才能奠定新材料應用基礎。彭海琳研究團隊之前就成功研制了石墨烯單晶晶圓及相關制備裝備，并與合作者建設了生產線，實現了石墨烯晶圓的量產，開發了高性能的石墨烯光電器件和石墨烯電鏡載網產品。當前，他們正在打通鉍基二維新材料的制備“方法-工藝-裝備”關鍵環節，做出符合工業界生產要求尺寸的晶圓，讓材料制備更加可靠穩定，為技術應用落地打好基礎?！跋乱徊揭尪S環柵晶體管這個體系的優勢充分展現出來?！?/p>

當然，彭海琳還忙于將他的理念薪火相傳，培育科技創新后備軍。“自由探索需要邁過使命感這個‘門檻’，”彭海琳說，“為加快實現國家高水平科技自立自強貢獻智慧和力量，就是我們現在的方向和使命?！?/p>

身為院長的彭海琳行政事務繁重，但他堅守在教學與科研一線，自2020年以來，連續5年獲得北京大學優秀博士學位論文指導教師。他的團隊定期組織每周的組會和多次小組討論。“定期開組會很重要，趕上出差我就在線上參加組會和討論，并提一些建議。”有時候，研究小組一段時間經過努力也沒有得到理想的實驗結果，彭海琳就鼓勵大家:“創新型研究往往要克服很多困難，失敗是常有的，要有容‘錯’糾‘錯’機制。”他的團隊著眼長遠，從不因一時困難而氣餒，善于從失敗汲取價值，堅持不懈，久久為功。

“課題組的師生都能沉下心來，朝著既定目標努力，在有組織的基礎上自由探索，發揮各自的優勢?！痹谧T聰偉眼中，課題組有著活躍、有序、務實的文化氛圍。

在先進制程集成電路制造這方全球半導體產業的“兵家必爭之地”，未來的競爭勢必愈發激烈，彭海琳和他的團隊仰望星空、腳踏實地，他們堅信，以不變方能應萬變，扎扎實實地做好本職工作，取得成果、贏得主動便是水到渠成的事。千千萬萬科技工作者如是“精耕細作”，中國科技自立自強的步伐將堅定前行。

半導體精品公眾號推薦

專注半導體領域更多原創內容

關注全球半導體產業動向與趨勢

今天是《半導體行業觀察》為您分享的第4062期內容，歡迎關注。

『半導體第一垂直媒體』

實時 專業 原創 深度

公眾號ID:icbank

喜歡我們的內容就點“在看”分享給小伙伴哦

免責聲明：該文章系本站轉載，旨在為讀者提供更多信息資訊。所涉內容不構成投資、消費建議，僅供讀者參考。