更快、更省电的低维半导体芯片。受访者供图

　　随着硅基芯片逐渐接近摩尔定律物理极限，科学界和产业界都在不断尝试利用各种二维材料，开发出更优秀的新一代芯片。

　　近日，北京大学电子学院彭练矛院士、邱晨光研究员团队研发出弹道二维硒化铟（InSe）晶体管，这是世界上迄今速度最快、能耗最低的二维半导体晶体管，其实际性能超过英特尔商用最先进的硅基晶体管。相关研究近日发表于《自然》。

　　据介绍，新晶体管室温弹道率达83%，远高于硅基晶体管的弹道率（低于60%），有望实现兼具高性能和低功耗的芯片。“在弹道输运晶体管中，电子像子弹一样穿过沟道没有受到碰撞，能量没有散射损失，所以弹道率越高的器件，能量利用效率越高。”邱晨光告诉《中国科学报》。

　　多位国际审稿人认为，这项研究解决了实现高性能二维晶体管的多个重要挑战，是二维电子器件研究的重要里程碑，具有重要的科学意义。

　　瞄准关键瓶颈 

　　芯片作为信息时代的“心脏”，为大数据和人工智能的发展提供源源不断的动力。芯片速度的提升得益于晶体管的微缩，然而，当前硅基芯片已接近摩尔定律物理极限。

　　计算机行业一直遵循着摩尔定律，即当价格不变时，在给定的集成电路面积上，容纳比前一代多一倍的晶体管，使其性能提升一倍。但多年来的实践表明，集成电路在性能提升的同时，短沟道效应等负面效应相应增加，集成难度、能耗和成本也在提高。

　　二维半导体材料被认为是芯片沟道材料的下一个“风口”。

　　这种原子级厚度的材料具有超薄体、高迁移率等优势，引起了科学界和工业界的广泛兴趣。近年来，英特尔、台积电、三星和欧洲微电子研究中心等全球领先的半导体制造公司与研究机构均对二维材料展开了研究。

　　然而，由于接触电阻、栅介质等方面的瓶颈，迄今为止，所有二维晶体管所实现的性能均不能媲美业界先进的硅基晶体管。

　　基于10多年来在纳米器件领域的研究，北大团队针对二维电子学领域的底层核心问题和关键科学瓶颈进行攻关，希望挖掘二维半导体在电子学领域的最终潜力，制备出真正发挥低维材料本征优势的二维晶体管。

　　他们选用二维硒化铟作为沟道材料，这种半导体材料具备远超同类材料的绝佳物理特性。例如，拥有更高的室温载流子迁移率、更小的电子有效质量，材料本征的热速度更高。根据计算，其电学性能优于目前已知的几乎全部的N型半导体材料（包括传统的硅半导体）。

　　“理论上，用二维硒化铟作为沟道的晶体管拥有更高的极限性能。”论文第一作者、北京大学电子学院博士生姜建峰对《中国科学报》说。

　　然而，如何让理论成为现实？这并非易事。

　　硒化铟等二维半导体材料应用方面的一个国际难题是，这类材料与金属接触会形成“费米钉扎效应”，产生大接触电阻，极大限制了晶体管的速度。

　　“弹道晶体管在超短沟道传输时几乎没有散射，能量主要消耗在接触处的金属与半导体结中，这是二维电子学中的核心瓶颈。”邱晨光说。

　　面对这一难题，研究团队通过总结和考察商用硅基晶体管接触方面的成熟结构与策略，探索出一种在二维电子器件中实现欧姆接触的全新方法，即固态源掺杂诱导相变技术，在全球率先将二维晶体管的器件总电阻推至接近理论极限，刷新至124欧姆·微米，满足集成电路未来节点对晶体管电阻的要求。

　　审稿人对这一技术革新给予了高度评价。他们认为，接触电阻一直是二维半导体电子产品发展的一个主要瓶颈，研究者创新性地探索出新方法克服了这个重大挑战，实现了创纪录的低接触电阻，为高性能二维晶体管树立了标杆。

　　打破硅基芯片终极“红墙” 

　　国际半导体器件与系统路线图（IRDS）预测，硅基晶体管的极限栅长为12纳米，工作电压不能小于0.6伏。这定义了未来硅基芯片缩放过程结束时的最终集成度和功耗。

　　对标业界IRDS所预测的硅基器件发展路线图，邱晨光表示，弹道二维硒化铟晶体管打破了4个硅基终极“红墙”。

　　首先，二维硒化铟晶体管沟长缩小至10纳米，超越硅基极限12纳米，器件关态特性超过英特尔商用10纳米节点的硅基最优FinFET晶体管。其次，工作电压可降到0.5伏，超越2031年预计的硅基极限0.6伏。再次，门延时缩短到0.32皮秒，相当于硅基极限（1.26皮秒）的1/4。最后，功耗延迟积缩减到4.32 ×10-29焦秒/微米，比硅基极限低一个量级。

　　姜建峰向《中国科学报》表示，这意味着未来利用硒化铟晶体管构建的大规模集成电路，在低数倍功耗的条件下比硅基电路具备更高的性能和处理速度，有望实现兼具高性能和低功耗的芯片。

　　“这无疑是迄今为止性能最高的二维晶体管，说明二维材料晶体管的真实性能（不仅仅在理论上）已经超过了最先进的硅基晶体管。”审稿人表示。

　　开启电子器件“新里程” 

　　这项“里程碑”式的突破带来的技术革新是多方面的。

　　除解决电子器件总电阻方面的国际难题外，研究团队还创新性地采用高载流子热速度（更小有效质量）的三层硒化铟作为沟道，使室温弹道率高达83%，远高于硅基晶体管的弹道率（低于60%），为目前场效应晶体管的最高值。

　　他们还解决了二维材料表面生长超薄氧化层的难题，制备出2.6纳米的超薄双栅氧化铪。

　　邱晨光表示，接下来，研究团队将聚焦二维电子学的几个重要研究方向进行攻关，如二维器件的P型欧姆接触、二维材料的晶圆级单晶的大面积生长与转移、二维器件的标准化集成加工工艺及其与硅基和碳基的异构集成等，从而加速推动二维材料芯片技术的发展进程。

　　相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41586-023-05819-w