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《北京大学制备出迄今速度最快、能耗最低的二维半导体晶体管》

  • 来源专题：集成电路
  • 编译者： 李衍
  • 发布时间：2023-03-31

  • 芯片为大数据和人工智能的发展提供源源不断的动力，芯片速度的提升得益于晶体管的微缩，然而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。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媲美业界先进硅基晶体管，其实验结果远落后于理论预测。

    日前，北京大学电子学院彭练矛教授-邱晨光研究员课题组日前制备出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纳米节点的硅基鳍型晶体管，并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。

    对此，团队在研发过程中实现了三方面技术革新：一是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%）；二是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；三是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。

    研究团队表示，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了强有力的信心和活力。

    论文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-023-05819-w

  • 原文来源：https://mp.weixin.qq.com/s/YBmqlMfi8LFaQzZ5c_momg；
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    • 随着人工智能和物联网对计算能力需求的不断增长，传统硅基晶体管技术在10纳米以下工艺节点面临物理极限，严重制约了芯片性能和能效的提升。二维硒化铟（In?Se?）因其优异的电学性能和独特的层状结构，成为突破传统硅基芯片技术瓶颈的关键材料。然而，此前国际上一直难以制备大面积、单晶、纯相的二维硒化铟晶圆，限制了其规模化应用。  北京大学电子学院邱晨光研究员、物理学院刘开辉教授与中国人民大学刘灿副教授等组成的联合研究团队，在低维半导体材料与器件领域取得重大突破。他们提出“固-液-固”材料制备新策略，通过化学气相沉积工艺，成功实现厘米级、大面积、纯相二维硒化铟晶圆的稳定生长。该晶圆制备方法包括在蓝宝石衬底上沉积非晶InSe薄膜，高温下利用液态铟包覆晶片边缘，最终制备出厚度均匀、相结构单一、晶体质量优异的2英寸InSe晶圆。 基于此策略制得的InSe晶圆晶体管阵列展现出卓越的电学性能，包括高度均匀的原子层厚度（单层InSe仅1.3纳米）、极高的迁移率（平均值达287 cm2/V·s）与接近玻尔兹曼极限的亚阈值摆幅（平均值低至67 mV/dec），且缺陷密度显著低于现有同类材料。这些性能全面优于目前最先进的英特尔3纳米节点技术，能效比达到国际领先水平。 此次突破为低维半导体技术在芯片领域的应用开辟了新路径，特别是在高性能计算、人工智能和物联网等领域具有广泛应用潜力。该成果不仅填补了国内空白，也在国际上树立了二维芯片研发的新标杆，推动了低维半导体产业化进程。 相关研究成果发表在《科学》（Science）期刊上，题为“Two-dimensional indium selenide wafers for integrated electronics”。  论文下载链接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adu3803
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    • 编译者：冯瑞华
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    • 引言： 镓和镓基合金是典型的室温液态金属，具有低熔点、高表面张力、柔韧变形性、良好的导热性和导电性以及低毒性等优秀特性。基于液态金属的应用迄今已被拓展到先进热管理、柔性电子、软体机器人、生物医学等多个领域。与其它金属类似，空气与镓基液态合金之间的界面处同样易于形成薄的自限性氧化膜。在以往的系列研究中，基于氧化前后表面张力的变化被用于在酸性或碱性溶液中诱导液态金属的各种运动和变形行为。然而，到目前为止，氧化膜本身的物理性质很少受到关注。 β-Ga2O3是一种新兴的半导体材料，其具有4.6-4.9 eV的超宽带隙，高击穿电场和较大的Baliga品质因数（Baliga’s Figure of Merit, BFOM），是制备下一代高功率电子器件的候选材料之一。然而，由于β-Ga2O3膜大面积沉积具有很高的难度，实现基于β-Ga2O3膜的电子器件一直是颇具挑战性的问题。实际上，包覆Ga基液态金属表面的氧化层在制造大面积β-Ga2O3膜方面可以拓展出惊人的新应用。 众所周知，二维（2D）材料具有许多与块状材料不同的有趣特性，例如压电和光学特性，其多样化应用潜力激发了学术界对相应合成策略的特别关注，而合成策略在很大程度上由于各种创新方法的提出而逐步得到拓宽。2012年，中国科学院理化所刘静小组在一篇长达30页的前瞻性论文中首次描述了基于液态金属镓等材料直接制备各类型导体、半导体继而构筑功能器件的DREAM Ink（梦之墨）原理和方法；2017年，澳大利亚Kalantar-zadeh小组借助镓基液态金属的独特反应环境探索了相对容易的合成路线。基于范德华力分离表面氧化膜的方法激发了获取超薄氧化镓层的新方法，进一步丰富了其它功能性二维材料的合成策略。理论上，由此制成的材料在构建薄膜半导体器件方面具有独特优势。然而，迄今为止，国际上直接利用液态金属制造功能器件的研究还鲜有尝试，将这些材料用于制备场效应晶体管半导体层的相关探索存在大量空白，学术界对这些二维材料的电性能研究尚有较大欠缺。 成果简介： 近日，来自清华大学医学院、中国科学院理化所及北京梦之墨科技有限公司的联合小组报道了一种利用液态金属表面氧化物与基板之间的冲击过程来印刷和制备硅片级薄膜半导体的新方法，相应研究阐明了液态金属液滴下降高度和后处理温度对氧化物层形成的影响，有望优化大面积β-Ga2O3薄膜制造方法。基于薄的β-Ga2O3层，通过比传统掺杂方法更容易、更快捷的方法成功实现了具有高迁移率（~21 cm2 V-1 s-1）和高开关比（~7×104）的晶体管器件。另外，论文揭示了附着有β-Ga2O3的硅片电性能的变化规律，其显示出较低的击穿电压。可以预期的是，此项成果将促进基于2D半导体材料的电子器件实用化。研究成果以“通过室温液态金属氧化层印刷准二维β-Ga2O3半导体构建电子器件”（Printing of quasi-two-dimensional semiconducting β-Ga2O3 in constructing electronic devices via room temperature liquid metals oxide skin）为题发表在国际知名期刊Physica Status Solidi (RRL) - Rapid Research Letters上，论文共同第一作者为清华大学博士生林聚及中国科学院理化所博士后李倩，通讯作者为清华大学教授及理化所研究员刘静。
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