电子器件研究里程碑|超越硅基极限的二维晶体管问世

2024年1月11日，中国科学院和中国工程院联合举办的评选活动揭晓了《超越硅基极限的二维晶体管问世》成为“2023年中国十大科技进展新闻”。

硅基芯片瓶颈

芯片作为信息世界的核心基础，其速度提升依赖于晶体管的微型化。然而，传统硅基场效应晶体管的性能已接近本质极限，国际半导体器件与系统路线图（IRDS）预测硅基晶体管的栅长极限将停留在12nm，工作电压不低于0.6V。因此，科学界和产业界迫切需要开发新型沟道材料，以延续摩尔定律。二维材料作为潜在的候选材料受到广泛关注，但目前实现的所有二维晶体管性能均不及业界领先的硅基晶体管，主要受限于接触、栅介质和材料等方面的挑战。

中国团队重要成就

多位国际审稿人认为，这项研究克服了实现高性能二维晶体管的多个关键挑战，是二维电子器件领域的重大里程碑，具有重要的科学意义。

成果举世瞩目

1.  彭练矛院士和邱晨光研究员团队创新性地提出了“稀土钇元素掺杂诱导二维相变理论”，并发明了“原子级可控精准掺杂技术”，解决了二维半导体领域金属与半导体接触的国际难题。

2.  首次实现了二维晶体管的实际性能超越了业界硅基10纳米Fin晶体管，以及国际半导体路线图预测的硅极限。

3.  团队将二维晶体管的工作电压降低至0.5V，并在室温下实现了83%的弹道率，创造了二维晶体管速度和能效的全球新纪录。

核心技术革新

彭练矛院士和邱晨光研究员及其团队在三个关键领域取得了显著进展：

采用了具有增强载流子迁移率（较小有效质量）的三层硒化铟作为通道材料，实现了室温下高达83%的弹道效率，超过了硅基晶体管的弹道效率（小于60%）。

解决了在二维材料上生长超薄氧化层的难题，成功制备出2.6纳米超薄的双栅氧化铪，将器件的跨导提升到6毫西•微米，超过所有其他二维器件一个数量级。

开创了掺杂诱导二维相变技术，克服了二维器件领域金半接触的国际难题，将总电阻降低至124欧姆•微米，满足集成电路未来节点对晶体管电阻的要求（220欧姆•微米）。

开启电子器件“新里程”

这项研究突破了长期以来阻碍二维电子学发展的重要科学难题。通过将n型二维半导体晶体管的性能首次推向理论极限，该研究在实验中展示出二维器件在性能和功耗上优于先进的硅基技术，为推动二维半导体技术的进步开创新的可能性，注入了新的信心和动力。

接下来，邱晨光指出研究团队将专注于二维电子学的几个关键研究方向，包括改进二维器件的P型欧姆接触、实现二维材料的晶圆级单晶大面积生长和转移、优化二维器件的标准化集成加工工艺，以及探索其与硅基和碳基材料的异构集成等。这些努力旨在加速二维材料芯片技术的发展进程。