【儀表網 研發快訊】2025年2月14日，北京大學化學與分子工程學院彭海琳教授研究團隊與北京大學電子學院邱晨光研究員團隊在《自然-材料》(Nature Materials)在線發表題為“Low-power 2D gate-all-around logics via epitaxial monolithic 3D integration”的研究論文，報道了世界首例低功耗二維環柵晶體管(2D GAAFET)，并研制出高性能低功耗二維環柵邏輯器件。
 

　　二維環柵晶體管技術是后摩爾時代突破硅基晶體管物理極限的重要路徑之一，其關鍵在于結合二維半導體的高遷移率與環柵(Gate-All-Around，GAA)結構的強柵控能力，以實現更高性能、更低功耗的器件，但面臨的挑戰是二維溝道與環柵介質的原子級均勻尺寸控制和界面結構精確控制。該工作制備的高遷移率二維半導體納米片溝道Bi2O2Se由外延型單晶高κ原生氧化物柵-Bi2SeO5完全包圍，形成高質量全環柵異質結構(2D Bi2O2Se/Bi2SeO5 GAA)，具有原子級平整界面和超薄的溝道厚度(達1個單胞厚度，~1.2納米)以及超薄的柵介質厚度(等效氧化層厚度EOT可低至0.28納米)，還可實現晶圓級單片三維集成(M3D)。
 

　　基于外延集成型Bi2O2Se/Bi2SeO5環柵異質結的二維環柵晶體管(2D GAAFET)具有原子級均勻的溝道與柵氧化層厚度、低的界面缺陷密度、高的電子遷移率、高的電流開關比、近熱力學極限的亞閾值擺幅、更好的溝道控制和靜電性能。該晶體管的性能與能效同時超過了傳統硅基晶體管的物理極限，是世界上迄今速度最快、能耗最低的晶體管。該原創性工作突破了后摩爾時代高速低功耗芯片的二維新材料精準合成與新架構三維異質集成瓶頸，為開發未來先進芯片技術帶來新機遇。
 

論文截圖
 

　　集成電路是信息時代重要的技術基礎，也是國家戰略競爭力的重要標志。先進制程集成電路制造作為半導體工業技術的“明珠”，對帶動人工智能(AI)、云計算、大數據、5G通信等新興信息技術發展和產業增長發揮著關鍵作用，對以實現數據的高速處理和傳輸、信息安全等功能為基礎的國家信息化、數字化發展提供關鍵支撐。先進制程集成電路制造已成為全球半導體產業的“兵家必爭之地”，推動了科技領域的快速發展。
 

　　功耗約束下的器件尺寸微縮和集成密度提升始終是先進制程集成電路技術發展和演進的核心。隨著大規模集成電路(VLSI)技術的持續發展，來自短溝效應、量子隧穿以及寄生效應等問題的挑戰，使得以傳統硅基半導體/氧化物(如Si/SiO2、Si/HfO2)為核心的CMOS(互補金屬氧化物半導體)器件技術難以通過尺寸的持續微縮維持芯片迭代的需求。能耗上升和算力不足等問題成為延續摩爾定律的最大瓶頸。探索“后摩爾時代”器件新原理、新材料、新工藝和新架構，實現更高密度、更低功耗、更高算力的芯片設計與制造，成為推動傳統集成電路芯片變革的關鍵。
 

圖1.  二維環柵晶體管及三維異質集成示意圖
 

　　材料與架構的創新催生了集成電路在性能、密度和功耗方面的新突破。集成電路技術發展的近30年里，硅基CMOS器件在“摩爾定律”的驅使下不斷微縮，器件架構逐漸從平面器件發展到鰭式場效應晶體管(FinFET)器件以增強柵極對通道的控制能力。依靠新材料和新結構的發展，FinFET器件技術融合銅金屬互聯技術、應力硅技術、高κ金屬柵(HKMG，High-κ Metal Gate)工藝技術，助力摩爾定律持續向前發展，從22納米技術節點發展到當前的3納米技術節點。但是，在3納米節點以下，傳統硅基FinFET的柵極對溝道的控制能力減弱，導致漏電流增加和功耗上升，FinFET技術發展將面臨物理極限與工藝難度挑戰，無法持續微縮。應對這一挑戰，一種硅基納米片溝道被柵極四面全環繞包圍的環柵晶體管(GAAFET)新架構器件技術應運而生。GAAFET將顯著抑制短溝道效應，進一步增強柵極對溝道電流的控制，降低漏電，具有更高的速度和更低的功耗。隨著先進工藝節點持續推進，國際半導體產業界已明確2納米以后晶體管技術將由當前的鰭式晶體管(FinFET)轉向更先進的納米片環柵晶體管(GAAFET)制程技術。
 

　　技術節點進入埃米世代，二維(2D)半導體因其具有表面無懸掛鍵、原子級均勻厚度和高遷移率等特性，可突破傳統硅基晶體管本征物理極限(極限柵長將停止在12nm，工作電壓不能小于0.6V)，實現更短的柵長、出色的柵控、高驅動電流、單片三維(M3D)集成，可作為“后硅材料”延續CMOS器件微縮，提高芯片集成度、算力和能效。為此，全球眾多知名半導體公司和研究機構，如英特爾(Intel)、臺積電(TSMC)，以及歐洲微電子中心(IMEC)等，都在致力于二維環柵晶體管(2D GAAFET)的研發。然而，2D GAAFET的器件制造面臨源漏接觸、柵介質材料及界面等多重挑戰，性能仍無法與業界硅基晶體管相媲美。低功耗、高性能的2D GAAFET器件制造更是需要解決二維溝道/全環繞超薄柵介質的原子級尺寸控制和界面結構精確調控的世界難題。新型高遷移率二維半導體溝道和高κ氧化物環柵異質結的精準制備及三維異質集成等關鍵科學問題(圖1)，已成為各國半導體技術競爭的國際焦點。
 

　　圖2.  二維Bi2O2Se/Bi2SeO5環柵外延異質結與三維異質集成。(a—c)：晶圓級多疊層二維鉍基環柵異質結的示意圖(a)、截面透射表征與元素分析(b)和光學照片(c)；二維鉍基環柵晶體管的原子級平整界面(d，e)
 

　　近年來，彭海琳課題組開發了一種新型超高遷移率二維鉍基半導體(硒氧化鉍Bi2O2Se)及其高κ原生氧化物柵介質材料(-Bi2SeO5與-Bi2SeO5)，并基于此體系制備了一系列高性能二維晶體管、紅外探測器、傳感器以及量子霍爾器件(Nature Nanotech. 2017, 12, 530；Nature Commun. 2018, 9, 3311；Nature Electron. 2020, 3, 473；Nature Electron. 2022, 5, 643；Nature Mater. 2023, 22, 832；Nature Nanotech. 2024, 19, 1452)，并率先開發出世界上首例外延高κ柵介質集成型二維鰭式晶體管(Nature 2023, 616, 66)。
 

　　近期，該研究團隊致力于將高遷移率二維鉍基半導體與全環繞高κ超薄柵介質精準集成并極限微縮成三維新架構——二維環柵晶體管。他們基于獨創的二維鉍基半導體可控插層氧化方法，設計并制備了高質量的二維鉍基半導體/環柵外延異質結，研制的二維環柵晶體管具有很高的界面質量和柵控能力，表現出高的遷移率(>280cm2/Vs)、低界面缺陷密度(~2×1011cm-2eV−1)、高電流開關比(108)和近熱力學極限亞閾值擺幅(<62mV/dec)等性能，滿足業界高性能低功耗器件要求。進而，研究團隊結合先進微納加工技術和界面調控手段，成功構筑具有30nm柵長的短溝道二維環柵晶體管。該二維鉍基環柵晶體管具有原子級平整界面和超薄的0.27納米等效氧化物厚度(EOT)，在0.5V的超低工作電壓(VDD)下展現超高開態電流密度(>1mA/μm)、低本征延遲(Delay，1.9ps)及低能量延遲積(EDP，1.84×10−27Js/μm)。在相同工作條件下，二維鉍基環柵晶體管的性能超越英特爾(Intel)、臺積電(TSMC)、比利時微電子中心(IMEC)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。研究團隊報道的二維環柵晶體管滿足國際器件和系統路線圖(IRDS)對埃米節點的算力與功耗要求，是迄今為止速度最快、功耗最低的晶體管。
 

　　圖3.  二維鉍基環柵晶體管的電學特性。(a—c)：二維鉍基環柵晶體管的示意圖(a)、截面透射表征(b)和元素分析(c)；(d，e)二維鉍基環柵晶體管的轉移特性曲線與可靠性；(f)與其它二維晶體管對比
 

　　圖4.  二維鉍基環柵晶體管的電學性質。二維鉍基環柵異晶體管的示意圖(a)、掃描電鏡圖(b，c)、截面透射電鏡圖(d)和元素分析(e)；晶體管的輸出(f)和轉移(g)特性及性能(h，i)與能效(j)的客觀對標
 

　　研究團隊還基于上述環柵晶體管構筑了非門(NOT)、與非門(NAND)和或非門(NOR)等一系列邏輯單元器件，均可在超低功耗下實現其邏輯功能。其中非門可在超低工作電壓(1.0V)下展現出超高增益(59VV-1)。
 

　　圖5. 二維鉍基環柵邏輯單元。二維鉍基環柵非門示意圖(a)，工作曲線(b，c)、功耗(d，e)及增益對比(f)；二維鉍基環柵或非門(g，h)，與非門(i，j)的結構表征與功能
 

　　綜上所述，該項研究在國際上首次實現了高遷移率二維半導體/全環繞高κ氧化物外延異質結的精準合成與單片三維集成，并面向亞3納米節點研制了低功耗、高性能二維環柵晶體管(2D GAAFET)及邏輯單元。該原創性工作突破了阻礙二維電子學發展的關鍵科學瓶頸，首次驗證了二維環柵器件的性能和能耗上優于先進硅基技術，突破了后摩爾時代高速低功耗芯片的二維新材料精準合成與新架構三維異質集成瓶頸，為開發未來高性能芯片技術提供了全新的思路。
 

　　彭海琳、邱晨光、化學與分子工程學院譚聰偉副研究員為該論文的共同通訊作者；北京大學化學與分子工程學院博士研究生唐浚川、電子學院博士生姜建峰(現為麻省理工學院博士后)、化學與分子工程學院博士研究生高嘯寅和博雅博士后高欣為文章的共同第一作者。該工作的其他主要合作者還包括深圳理工大學丁峰教授、北京大學電子學院彭練矛教授等。
 

　　該研究得到國家自然科學基金委、科技部、北京分子科學國家研究中心、新基石基金會科學探索獎、北京大學博雅博士后等項目和單位的資助，并得到北京大學化學與分子工程學院分子材料與納米加工實驗室(MMNL)儀器平臺的大力支持。