北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院彭海琳教授團(tuán)隊(duì)與北大電子學(xué)院邱晨光研究員團(tuán)隊(duì)合作，研制出世界首例低功耗高性能二維環(huán)柵晶體管及邏輯單元，該晶體管的速度和能效同時(shí)超越了硅基物理極限，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(dòng)芯片領(lǐng)域新一輪技術(shù)革新，為我國(guó)先進(jìn)制程集成電路制造技術(shù)發(fā)展贏得主動(dòng)。相關(guān)成果日前發(fā)表于國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《自然-材料》。

何為二維環(huán)柵晶體管？彭海琳介紹，“二維”指二維半導(dǎo)體材料，“環(huán)柵”指柵極全環(huán)繞包圍半導(dǎo)體溝道的結(jié)構(gòu)，二維環(huán)柵晶體管是未來(lái)集成電路芯片功耗縮放與性能釋放的最優(yōu)解之一。然而，當(dāng)前最高水平的二維環(huán)柵晶體管的性能與功耗尚不能和主流硅基晶體管相比，同時(shí)也缺乏規(guī)?；苽涠S環(huán)柵晶體管異質(zhì)結(jié)的手段。

彭海琳?qǐng)F(tuán)隊(duì)運(yùn)用自主研發(fā)的新型高遷移率鉍基二維半導(dǎo)體材料（硒氧化鉍，Bi2O2Se）及其高介電常數(shù)自然氧化物柵介質(zhì)（Bi2SeO5），將其用于制作最先進(jìn)的二維環(huán)柵晶體管，可謂對(duì)晶體管進(jìn)行“跨代升級(jí)”。該二維半導(dǎo)體溝道與層狀自然氧化物柵的界面結(jié)構(gòu)原子級(jí)平整，缺陷極少，性能穩(wěn)定，能極大減少對(duì)電子散射和電流損耗，如同“內(nèi)壁光滑的水管”，讓水流在水管內(nèi)毫無(wú)阻力地高速流動(dòng)?！斑@種材料的層狀氧化物的介電常數(shù)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(kāi)關(guān)的柵控電壓大幅減小，實(shí)現(xiàn)了提升算力、降低漏電的同時(shí)還將能耗降到最低?！迸砗Ａ照f(shuō)。

令人振奮的是，在相同工作條件下，他們研制的鉍基二維環(huán)柵晶體管性能已超越英特爾、臺(tái)積電、三星、比利時(shí)微電子中心報(bào)道的最先進(jìn)環(huán)柵晶體管。“這一晶體管是極少數(shù)具有與商用硅基類似優(yōu)勢(shì)的材料體系，其運(yùn)算速度和能效亦超越當(dāng)前商用硅基晶體管的最佳水平，更是屈指可數(shù)的由我國(guó)科學(xué)家自主研發(fā)的材料體系。”邱晨光表示。

彭海琳告訴記者，團(tuán)隊(duì)制作的二維環(huán)柵晶體管小型邏輯單元，正在為下一步規(guī)模邏輯器件量產(chǎn)積累經(jīng)驗(yàn)和奠定基礎(chǔ)?，F(xiàn)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(tuán)隊(duì)也發(fā)現(xiàn)該二維環(huán)柵晶體管的更大潛力。“鉍基二維晶體管具有豐富的科學(xué)內(nèi)涵與廣闊的應(yīng)用前景，我們正開(kāi)展更深入研究，隨著技術(shù)優(yōu)化，該類晶體管有望實(shí)現(xiàn)傳感、存儲(chǔ)、計(jì)算一體化集成功能，這種感存算一體化將引發(fā)更具競(jìng)爭(zhēng)力的技術(shù)革新?！?/p>

（光明日?qǐng)?bào)全媒體記者晉浩天）

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