今日Nature: 北大研制出速度超越硅极限的二维晶体管

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https://www.nature.com/articles/s41586-023-05819-w

芯片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，然而当前传统硅基场效应晶体管的性能逐渐接近其本征物理极限。国际半导体器件与系统路线图（The International Roadmap for Devices and Systems, IRDS）预测硅基晶体管的极限栅长将停止在12 nm，工作电压不能小于0.6 V，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，因此亟需发展新型沟道材料来延续摩尔定律。原子级厚度的二维半导体因其超薄体和高迁移率的优势，作为未来芯片沟道材料的有力候选者之一，吸引了科学界和工业界的广泛兴趣。近年来英特尔、台积电、三星和欧洲微电子中心等全球领先半导体制造公司与研究机构均对二维材料投入研究。然而受限于接触、栅介质和材料等方面的瓶颈，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硅基晶体管，其实验结果远落后于理论预测，不足以展示二维半导体的最终潜力。

对标业界IRDS所预测的硅基器件发展路线图，北大团队所实现的弹道二维硒化铟晶体管打破了四个硅基终极“红墙”：

1）沟长缩小到10纳米（超越硅基极限12纳米），同时保持理想的亚阈值摆幅75毫伏量程，DIBL仅20毫伏/伏，该器件关态特性超过硅基最优FinFET技术。

2）电压缩小到0.5伏 （超越2031年硅基极限0.6伏），将器件电流从100纳安/微米标准关态打开到超过1毫安/微米开态。

3）门延时缩减到0.32皮秒, 四倍优势于硅基极限1.26皮秒。

4）功耗延迟积缩减到4.32E-29焦秒/微米，比硅基极限低一个量级。

这项工作突破了长期以来阻碍二维电子学发展的关键科学瓶颈，将n型二维半导体晶体管的性能首次推近理论极限，率先在实验上证明出二维器件性能和功耗上优于先进硅基技术，为推动二维半导体技术的发展注入强有力的信心和活力。

图1 弹道二维硒化铟晶体管与先进节点硅基晶体管的比较

图2 器件开关态特性

图3 展望：更快更省电的二维半导体芯片

彭练矛教授

中国科学院院士，北京大学电子学院院长。1994年获首批国家杰出青年科学基金资助，1999年入选首届教育部“长江学者奖励计划”特聘教授。长期从事碳基电子学领域的研究，做出一系列基础性和开拓性贡献。四次担任国家“973计划”、重大科学研究计划和重点研发计划项目首席科学家。在《科学》《自然》等期刊发表SCI论文400余篇。相关成果获国家自然科学二等奖（2010和2016年）、高等学校科学研究优秀成果奖（科学技术）自然科学一等奖（2013年）、北京市科学技术一等奖（2004年），入选中国科学十大进展（2011年）、中国高等学校十大科技进展（2000和2017年）、中国基础科学研究十大新闻（2000年）。个人获何梁何利基金科学与技术进步奖（2018年）、全国创新争先奖（2017年）、推动“北京创造”的十大科技人物（2015年）、全国优秀博士学位论文指导教师（2009年）、北京大学首届十佳导师（2013年）等荣誉。

邱晨光研究员

北京大学电子学院研究员，“博雅青年学者”。 国家基金委“优青”（2021）、国家重点研发计划青年首席科学家（2021）、KJW 173 JCJQ 首席科学家（2022）。从事纳米电子器件方面研究，在Nature, Science, Nature Electronics, Nature Nanotechnology, ACS Nano, Nano Letters, IEDM等顶级国际期刊和会议上发表论文; 以第一作者和通讯作者在《科学》上发表论文两篇，在《自然》上发表论文一篇。Science论文“5纳米栅长碳纳米管晶体管”实现了晶体管开关的量子极限，入选ESI高被引用论文和热点论文，入选2017年中国高校十大科技进展，2017年中国100篇国际高影响论文。 Science论文“狄拉克冷源晶体管”首次在国际上提出并实现冷源亚60超低功耗新器件机制，拓宽了超低功耗器件领域范围，入选2018全国科创中心重大标志性原创成果。Nature论文“弹道InSe晶体管”研制出世界上迄今弹道率最高、速度最快、功耗最低的二维晶体管，性能超过硅基极限。

姜建峰

北京大学电子学院博士研究生，师从彭练矛教授与邱晨光研究员。从事二维电子器件的极限性能的探索与器件物理研究，致力于开发超越硅基极限的后摩尔新型电子技术。在Nature，Nano Letters等国际知名杂志上以第一作者身份发表论文九篇，博士期间针对二维电子学领域的关键科学瓶颈和底层科学问题进行攻关，实现了近弹道输运的高速二维晶体管，性能和功耗均优于商用硅基先进技术节点。曾获省级优秀毕业生、研究生“校长奖”、研究生国家奖学金等荣誉。

徐琳博士

香港大学研究助理教授。2020年于北京大学信息科学技术学院取得理学博士学位。从事后摩尔未来节点纳米器件结构和物理研究，以及锂离子电池电化学模型研发。在Nature，Science，Nature Electronics，Nature Communication，Science Advance，IEEE Transactions on Electron Device，Applied Physics Letters，IEDM等国际知名杂志和会议上发表学术成果四十余篇。系统研究了低维材料器件的建模方法，包括紧凑模型、TCAD数值模拟及基于密度泛函的第一性原理计算。利用紧凑模型首次研究顶栅碳纳米管器件弹道率，在理论上证明了狄拉克源具有跨导增强的特性，利用TCAD数值模拟设计新型抑制双极性输运器件结构，基于第一性原理系统研究了二维材料的去钉扎欧姆接触和器件性能极限等若干关键科学问题，专注于探索后摩尔先进节点器件的底层物理。

课题组常年招收博士后与博士生，欢迎有微电子，电子，物理，化学，材料背景的有志之士加入课题组。可直接联系邱晨光研究员（email：chenguangqiu@pku.edu.cn）投递简历。