| 2023年中國十大科技進展新聞 |
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| 超越硅基極限的二維晶體管問世 |
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稀土元素釔誘導相變歐姆接觸理論和原子級可控精準摻雜技術
北京大學供圖
芯片作為信息時代的“心臟”，為大數據和人工智能的發展提供源源不斷的動力。芯片速度的提升得益于晶體管的微縮，然而當前硅基芯片已接近摩爾定律物理極限。
二維半導體材料被認為是未來芯片溝道材料的下一個“風口”。這種原子級厚度的材料具有超薄體、高遷移率等優勢，吸引了科學界和工業界的廣泛興趣。然而，受限于接觸電阻、柵介質等方面的瓶頸，迄今為止，所有二維晶體管所實現的性能均不能媲美業界先進硅基晶體管。
基于十多年來在納米器件領域的研究，北京大學彭練矛院士、邱晨光研究員團隊針對二維電子學領域的底層核心問題和關鍵科學瓶頸進行攻關，構筑了世界上迄今速度最快、能耗最低的二維半導體晶體管——10納米超短溝道彈道二維硒化銦晶體管，相關成果2023年3月22日發表于《自然》。
這種新晶體管室溫彈道率高達83%，遠高于硅基晶體管的彈道率（低于60%），有望實現兼具高性能和低功耗的芯片。這項研究解決了實現高性能二維晶體管的多個重要挑戰，是二維電子器件研究的重要里程碑，具有重要的科學意義。
對標業界IRDS所預測的硅基器件發展路線圖，彈道二維硒化銦晶體管打破了四個硅基“終極紅墻”。
第一，二維硒化銦晶體管溝長縮小到10納米，超越硅基極限12納米，同時可保持理想的亞閾值擺幅75毫伏量程，器件關態特性超過英特爾商用10納米節點的硅基最優FinFET晶體管。第二，工作電壓可縮小到0.5伏，超越2031年預計的硅基極限0.6伏。第三，門延時縮減到0.32皮秒，相當于4倍優勢于硅基極限（1.26皮秒）。第四，功耗延遲積比硅基極限低一個量級。這意味著未來利用硒化銦晶體管構建的大規模集成電路，比硅基電路在低數倍功耗的條件下具備更高的性能和處理速度，有望實現兼具高性能和低功耗的芯片。
“這無疑是迄今為止性能最高的二維晶體管，說明二維材料晶體管的真實性能（不僅僅在理論上）已經超過了最先進的硅基晶體管。”該論文國際審稿人評價。■
《科學新聞》 (科學新聞2024年2月刊 封面)