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来源：材料科学前沿收集编辑：高分子科学前沿
芯片在大数据和人工智能的发展中提供了源源不断的动力。虽然芯片速度的提升得益于晶体管的微缩，但当前传统的硅基场效应晶体管的性能已经逐渐接近其本征物理极限。国际半导体器件与系统路线图(IRDS)预测硅基晶体管的极限栅长将停止在12nm，工作电压不能小于0.6V。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，迫切需要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作为未来芯片构造材料的有力候选者之一，其超薄体和高迁移率的优势已经引起了科学界和工业界的广泛兴趣。近年来，全球领先的半导体制造公司和研究机构，如英特尔、台积电、三星和欧洲微电子中心，都在对二维材料进行研究。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与业界先进的硅基晶体管相媲美。其实验结果远落后于理论预测，无法充分展示二维半导体的最终潜力。
基于此，北京大学电子学院彭练矛院士和邱晨光研究员课题组制备了10纳米超短沟道弹道二维硒化铟晶体管，首次使得二维晶体管实际性能超过Intel商用10 纳米节点的硅基Fin晶体管，并且将二维晶体管的工作电压降到0.5 V，这也是世界上迄今速度最快能耗最低的二维半导体晶体管。本工作实现了三方面技术革新：采用高载流子热速度（更小有效质量）的三层硒化铟作沟道，实现了室温弹道率高达83%，为目前场效应晶体管的最高值，远高于硅基晶体管的弹道率（小于60%）；解决了二维材料表面生长超薄氧化层的难题，制备出2.6纳米超薄双栅氧化铪，将器件跨导提升到6 毫西•微米，超过所有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，将总电阻刷新至124欧姆•微米，满足集成电路未来节点对晶体管电阻的要求。相关研究成果以“Ballistic two-dimensional InSe transistors”为题发表于《Nature》上。电子学院博士生姜建峰与徐琳博士为并列第一作者。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。弹道二维硒化铟晶体管与先进节点硅基晶体管的比较 图片来源：北京大学图1a描述了设计具有良好导通和关断特性的超尺度弹道晶体管的基本物理规则，其中提到了两个关键的材料参数：热速度和缩放长度。在较大的热速度和较小的缩放长度方面，InSe物理上优于硅。图1c显示了一个具有10纳米通道长度和2.6纳米厚的HfO2电介质的实际器件的截面高分辨率扫描透射电子显微镜（STEM）成像（图1d），证实了二维InSe沟道、HfO2电介质、电极的位置以及钇薄层的存在。使用密度泛函理论（DFT）通过计算掺入InSe层的Y原子的不同结构配置的形成能来寻找最可能的掺杂晶格结构（图1e）。计算结果表明，这种Y-InSe结构的能量最低，是所有潜在结构中最稳定的。图1弹道InSe FET的结构和电子特性 图片来源：Nature图2a显示了弹道晶体管与其他已报道的二维短通道场效应晶体管的七个典型饱和输出特性的比较。二维InSe FET其他短通道二维FET的电压要低得多。图2e显示，弹道10纳米二维InSe FETs 在很宽的温度范围内具有恒定的导通电流。这有力地证明了在作者的弹道晶体管中已经实现了欧姆接触。在长沟道扩散型 FET中，随着温度的升高，沟道中的散射会增加，导致通态电流减少，而这是一个与温度相反的 与肖特基势垒热发射的温度有关的趋势（图2d）。在图2f,g直接证明了在作者的InSe FETs中实现了具有可忽略的肖特基势垒的欧姆接触。图2｜InSe FET的电子特性和总电阻 图片来源：Nature二维InSe FET实现了6 mS μm-1的峰值跨导，这也是所有报道的低维纳米材料基FET的最高值，与硅10纳米节点FinFET（英特尔）相当，但所用电压更低，为0.5 V（相对于硅的0.7 V）。受益于0.5V的超低电压和超过1 mA μm-1的可观导通电流，作者的InSe FET在延迟和EDP方面表现出比硅的同类器件更好的扩展趋势。作者最好的10纳米门长的InSe FET的延迟是0.32 ps和0.87 ps，这比IRDS 2022预测的Si FET的最终延迟更好（图3g）。此外，10纳米门长的InSe FET表现出的EDP远远小于Si FET的预测极限（图3h）。图3｜对InSe、硅和InGaAs FET进行基准测试 图片来源：Nature作者的10纳米InSe FET的典型传输特性显示了理想的开关行为（图4a）。10纳米InSe FET的关断电流小于1 nA μm-1，这符合商业标准性能集成电路的要求。作者的InSe FET的SS和DIBL的缩放趋势（图4b,c）与最先进的硅FET和硅FET的理论模拟进行了比较。10纳米场效应晶体管显示出更好的SS和DIBL。更大的底鳍宽度是降低硅FinFET的静电性的瓶颈（图4c，d）。图4｜InSe FET和硅FinFET的短通道效应比较 图片来源：Nature小结：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。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：[email protected]）投递简历。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。