北京大学彭练矛、邱晨光团队Nature：速度超越硅极限的二维晶体管

众所周知，晶体管是构成芯片的关键元件。过去几十年里，集成电路持续向着小型化方向发展，可容纳的晶体管数目大约每隔18个月至两年便会增加一倍，性能也会提升一倍。英特尔创始人之一Gordon Moore最先发现了这一趋势，并依此提出了著名的“摩尔定律”。不过，随着技术的发展，时至今日“摩尔定律”似乎要走到尽头。受限于硅基材料本身的性质，传统晶体管尺寸并不可能持续缩小，集成电路可容纳的晶体管数目也不可能持续增加。根据国际半导体器件与系统路线图（IRDS）的预测，硅基金属氧化物半导体（MOS）场效应晶体管（FET）的极限栅长将停止在12 nm，工作电压不能小于0.6 V。换句话说，硅基芯片的性能已经接近了“天花板”。如果希望继续提高集成电路中晶体管数目，提升芯片性能并降低功耗，一个可行的方向是发展新型沟道材料。原子级厚度的二维层状半导体被认为很有希望成为下一代芯片沟道材料，然而迄今为止所有基于二维半导体的FET所展现出的性能均不能媲美业界先进硅基FET，所存在的主要挑战包括二维半导体和高k电介质之间的低质量界面、二维半导体-金属界面上较差的源极和漏极接触、二维半导体材料本身固有的缺陷等等。

近期，北京大学电子学院彭练矛教授-邱晨光研究员课题组制备了10 nm超短沟道弹道二维硒化铟（InSe）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。采用高载流子热速度的三层InSe作为沟道材料，饱和区室温弹道率高达83%，超过任何已报道的硅基FET；二维材料表面高质量生长2.6 nm超薄双栅氧化铪（HfO₂）介电层，器件跨导提升至6 mS μm⁻¹，超过所有已报道二维器件一个数量级；通过钇（Y）掺杂诱导二维相变解决二维器件领域半导体-金属接触较差的问题，总电阻低至124 Ω μm，满足对于下一代晶体管电阻的要求。相关论文近日发表于Nature，北京大学电子学院博士生姜建峰与徐琳博士为并列第一作者，彭练矛教授和邱晨光研究员为共同通讯作者。

图1. 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：北京大学电子学院

设计具有良好开关特性的超短沟道弹道晶体管，要关注两个关键的材料参数：载流子热速度和缩放长度（scale length）。InSe在本征物理性质上优于Si，具有更高的热速度（更小的有效质量）和更小的缩放长度（更薄的厚度和更小的介电常数）（图2a）。在这项工作中，作者使用三层InSe构建超短沟道弹道晶体管，二维InSe FET结构的示意如图2b所示。所制得的具有10 nm沟道长度和2.6 nm厚度HfO₂介电层的实际FET器件，其横截面高分辨率扫描透射电子显微镜（STEM）图像如图2c所示。

欧姆接触的实现对于构建高性能FET至关重要，通常情况下在基于二维材料的器件中，金属电极与二维半导体之间往往具有较大的接触电阻。为了克服这一问题，作者在接触区采用了掺杂诱导二维相变技术，利用Y掺杂将半导体InSe转化为半金属Y-InSe，改善源/漏金属与二维InSe之间的接触。在FET的电子能量损失能谱图（图2d）中可观察到铟、铪、钛、金和钇（Y）的空间分布，确认了二维InSe沟道、HfO₂介电层、电极的位置以及钇薄层的存在。密度泛函理论（DFT）计算结果支持半导体InSe通过取代掺杂转化为半金属Y-InSe，作者也进行了详细的表征，以验证所预测的半导体到半金属的相变。

图2. 弹道二维硒化铟晶体管的结构与电子表征。图片来源：Nature

作者测试了二维InSe FET的性能，并直接与Intel商用10纳米节点的硅基Fin FET和IBM的20纳米栅极InGaAs Fin FET进行比较（关态电流为100 nA μm⁻¹）。二维InSe FET的饱和电流与硅基Fin FET相当，但工作电压低得多，仅为0.5 V（硅基Fin FET为0.7 V），也优于InGaAs Fin FET。这种二维InSe FET实现了6 mS μm⁻¹ (0.5 V) 的跨导，这也是所有报道的低维纳米材料 FET的最高值，与Intel商用10纳米节点的硅基Fin FET相当但工作电压较低（0.5 V），比IBM的InGaAs Fin FET高三倍。作者还比较了这种二维InSe FET与其他短沟道二维 FET的开态性能参数。在V_DD = 0.5 V的超低电压下，二维InSe FET的开态电流范围为0.7 - 1.2 mA μm⁻¹，跨导范围为3 - 6 mS μm⁻¹，大约比其他二维 FET高一个数量级。二维InSe FET饱和区域的弹道率高达83%，这是迄今为止二维 FET的最高记录，超过了之前报道的所有硅基 FET。二维InSe FET中的高载流子热速度和弹道率、超薄HfO₂双栅结构和源/漏欧姆接触将跨导提高到创纪录的6 mS μm⁻¹，因此，二维InSe FET的V_DD可降低到0.5 V（优于IRDS预测的2037年硅基极限的0.6 V），同时仍然能够将器件电流从100 nA μm⁻¹（关态）打开到超过1 mA μm⁻¹（开态），这在硅基单片MOS FET是不可能实现的。得益于0.5 V的超低电压和超过1 mA μm⁻¹的开态电流，二维InSe FET在栅极延时和功耗延迟积（EDP）方面比硅基 FET表现更优。最佳10 nm栅长二维InSe FET的延迟为0.32 ps (k_sp = 2.5) 和0.87 ps (k_sp = 13)，优于IRDS 2022预测的硅基 FET的极限延迟1.32 ps（12 nm栅长）；EDP低至4.32 × 10⁻²⁹ Js μm⁻¹ (k_sp = 2.5) 和3.20 × 10⁻²⁸ Js μm⁻¹ (k_sp = 13)，比硅基 FET的预测极限低一个数量级。二维InSe FET具有理想的开关行为，包括亚阈值摆幅75 mV per decade，DIBL仅22 mV V⁻¹，电流开/关比超过7个数量级，优于目前最先进的硅基FinFET技术。

图3. 弹道二维硒化铟晶体管与硅基、InGaAs晶体管的性能比较。图片来源：Nature

图4. 弹道二维硒化铟晶体管器件开关态性质。图片来源：Nature

综上所述，北京大学电子学院彭练矛教授-邱晨光研究员课题组制造了具有欧姆接触、高栅极效率和接近理想弹道率的超短沟道高性能InSe场效应晶体管，可在0.5 V的超低电压下工作。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，首次证实了二维半导体晶体管的性能可以接近理论预测的极限，与当前最先进的硅基晶体管相比在性能与功耗上更具优势。在未来的埃米（Å）技术节点发展中，二维半导体技术有望大放光芒。

图5. 更快更省电的低维半导体芯片。图片来源：北京大学电子学院

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投递简历。电子邮件：chenguangqiu@pku.edu.cn

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Ballistic two-dimensional InSe transistors

Jianfeng Jiang, Lin Xu, Chenguang Qiu*, Lian-Mao Peng*

Nature, 2023, DOI: 10.1038/s41586-023-05819-w

研究团队简介

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。

https://www.x-mol.com/university/faculty/62358 

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。