北京大学化学与分子工程学院彭海琳教授团队与北大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，该晶体管的速度和能效同时超越了硅基物理极限，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。相关成果日前发表于国际学术期刊《自然-材料》。
何为二维环栅晶体管？彭海琳介绍，“二维”指二维半导体材料，“环栅”指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。然而，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，同时也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”，让水流在水管内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。”彭海琳说。
令人振奋的是，在相同工作条件下，他们研制的铋基二维环栅晶体管性能已超越英特尔、台积电、三星、比利时微电子中心报道的最先进环栅晶体管。“这一晶体管是极少数具有与商用硅基类似优势的材料体系，其运算速度和能效亦超越当前商用硅基晶体管的最佳水平，更是屈指可数的由我国科学家自主研发的材料体系。”邱晨光表示。
彭海琳告诉记者，团队制作的二维环栅晶体管小型逻辑单元，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与广阔的应用前景，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。”
（光明日报全媒体记者晋浩天）
编辑：余凤
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编审：张宏彦
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