北京大学一天宣布两大超越硅基芯片极限重大成果

作者：二马路的冰

排版：Violette

出品：SOlab

深度好文，2240字=7分钟阅读

《Cell》（细胞）、《Nature》（自然）和《Science》（科学）三本杂志号称三个世界顶级学术刊物，简称为CNS，是科研工作者的最爱，我国每年公布的世界十大科技新闻大多来源于CNS。

其中，《Nature》杂志创刊于1869年，由Springer Nature出版社出版。150多年以来，《Nature》杂志为卓越研究指引方向，内容涵盖了自然科学各个研究领域，尤其在生物学、医学、物理学等领域的卓有成就。《Nature》杂志报道和评论各学科领域最新的研究成果和最重要的突破，为科学探索和论道提供平台，也是热门科学新闻的来源。

2023年3月23日，《Nature》杂志发表了北京大学三项成果。包括生命科学学院的《FcμR受体对免疫球蛋白IgM的识别》，化学与分子工程学院的《外延高k栅氧化物集成型二维鳍式晶体管》（2D Fin field-effect transistors integrated with epitaxial high-k gate oxide）和电子学院的《二维硒化铟弹道晶体管》（Ballistic two-dimensional InSe transistors）。其中后两项成果是超越硅基芯片极限问题的突破。

北大在《Nature》杂志上演“帽子戏法”，图源：北京大学

当前，芯片制程已经进入3nm技术节点。中国台积电公司和韩国三星电子公司都于2022年宣布3nm芯片实现量产。学术界和工业界都在展望1nm及以下芯片的美好发展前景。晶体管是芯片的最核心、最基础的单元（没有之一），通过新一代材料、新一代装备、新一代器件、新一代工艺、新一代架构等创新方式，芯片的集成度得以不断提高，进而不断提升能效和算力。

但是，当前的硅基芯片尺寸微缩正在逼近硅基材料物理极限，短沟道效应和热效应日趋显著，新一代材料的探索与研究迫在眉睫。抑制短沟道效应，降低亚阈值漏电流，突破芯片算力、能效和集成瓶颈，日益成为各国芯片研究者关注的热点。

以下是北京大学的两大芯片重大研究成果简介。

▶成果1、全球首例外延高κ栅介质集成型二维鳍式晶体管

二维新材料精准合成与新架构集成是后摩尔时代高速低功耗芯片的技术瓶颈。针对全新三维架构中二维沟道材料与介电质集成这一科学难题和实际应用需求，北京大学研究者独辟蹊径，报道了世界首例二维半导体鳍片/高κ栅氧化物异质结阵列的外延生长及其三维架构的集成制备，基于自主研发的新型二维铋基材料体系，实现了自支撑高迁移率二维半导体Bi2O2Se垂直鳍片的精准合成。合可控氧化手段，实现了晶圆级二维Bi2O2Se垂直鳍片/高κ自氧化物Bi2SeO5的异质集成。

成果1论文，图源：《Nature》杂志

北京大学研究者研制了高性能二维鳍式场效应晶体管（2D FinFET）。演示了Bi2O2Se/Bi2SeO5二维鳍式晶体管电子学上的优势和潜力。该原创性工作突破了后摩尔时代高速低功耗芯片的关键新材料与新架构三维异质集成瓶颈，为开发突破硅基晶体管极限的未来芯片技术带来新机遇。

高κ栅氧化物集成型二维鳍式晶体管（2D FinFET）示意图，图源：北京大学

▶成果2、迄今世界速度最快、能耗最低的二维半导体晶体管

当前传统硅基场效应晶体管的性能逐渐接近其本征物理极限。二维(2D)材料凭借其原子级厚度与平整度、优异的电学性能，被认为是支持进一步小型化和集成电子的潜在材料。

但是，迄今为止，所有二维晶体管所实现的性能均不能媲美业界先进硅基晶体管，其实验结果远落后于理论预测。

成果2论文，图源：《Nature》杂志

国际器件与系统路线图(IRDS)预测，对于硅基金属氧化物半导体(MOS)场效应晶体管(FETs)，栅极长度的缩放将停止在12nm，最终电源电压将不会下降到小于0.6 V。这要求了硅基芯片在缩放过程结束时的最终集成密度和功耗。

基于具有原子尺度厚度的高迁移率的硒化铟(InSe)材料，北京大学研究者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0.5V，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。

北京大学研究者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提供了崭新的机遇。

弹道二维硒化铟晶体管与先进节点硅基晶体管的比较，图源：北京大学

北大芯片研究者的不懈努力

根据北京大学的宣传材料，近年来，我国“芯片荒”这一“老大难”问题屡屡成为焦点。为了让“卡脖子”的手松一点，北大人一直在这条荆棘丛生的道路上砥砺前行，力求为我国集成电路技术的迭代升级事业添砖加瓦。

根据北京大学的宣传材料，每一篇文章的背后，都凝缩了团队每一位成员的心血，是数十名北大人历经无数失败与彻夜难眠后，结出的那颗最耀眼的结晶。北大是常为新的。一篇篇研究成果即是一个个清晰见证，诉说着北大人推动科学的发展、谋求人类的进步的初心与使命。

两项成果采用的国外材料、设备及软件

根据《Nature》杂志上成果1公开论文：Bi2O3和Bi2Se3材料来自阿法埃莎 (Alfa Aesar，美国赛默飞世尔科技公司旗下企业)。光刻胶来自德国的Allresist EN，激光光刻装置来自德国Heidelberg仪器公司。UV臭氧发生器来自美国Novascan 公司，扫描电镜来自日本Hitachi，原子力显微镜来自美国 Bruker公司，聚焦离子束来自美国赛默飞，半导体分析仪来自美国Keithley，磁控溅射仪来自日本ULVAC，模拟软件采用维也纳大学Hafner小组开发的进行电子结构计算和量子力学-分子动力学模拟软件包。

▶成果1、其余的材料、设备及软件没有公布。

根据《Nature》杂志上成果2公开论文：原子层沉积设备来自采用的是芬兰Beneq公司，电子束光刻设备采用的是德国Raith，扫描电镜来自德国蔡司，原子力显微镜来自美国Veeco，透射电镜来自日本JEOL，半导体分析仪来自美国Keithley，真空低温探针台来自美国Lake Shore。

▶成果2、其余的材料、设备及软件没有公布。

可以看到,北京大学这两项重大成果的突破主要是基于西方国家的材料、设备和软件获取的。国内的芯片材料、设备和软件供应商仍然任重道远。