本文由半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)縱橫（ID：ICVIEWS）綜合

北京大學(xué)正在大步邁向后硅時代和后埃時代。

北京大學(xué)研究團(tuán)隊發(fā)表了一項關(guān)于二維低功耗 GAAFET 晶體管的研究成果，這是世界上首例此類晶體管。由彭海林教授和邱晨光領(lǐng)導(dǎo)的跨學(xué)科團(tuán)隊在《自然》雜志上發(fā)表了研究成果，一些團(tuán)隊成員稱這一發(fā)現(xiàn)堪稱是一次里程碑式的突破。

北京大學(xué)的研究團(tuán)隊已經(jīng)制作出論文中所描述的“晶圓級多層堆疊單晶二維 GAA 配置”。

“這是迄今為止速度最快、效率最高的晶體管，”彭建軍在談到其團(tuán)隊的突破時說道。“如果基于現(xiàn)有材料的芯片創(chuàng)新被視為‘捷徑’，那么我們開發(fā)基于二維材料的晶體管就好比‘換道’，”彭建軍在北京大學(xué)網(wǎng)站的一份聲明中繼續(xù)說道。

該團(tuán)隊聲稱已經(jīng)將他們的晶體管與英特爾、臺積電、三星等公司的產(chǎn)品進(jìn)行了測試，在匹配的操作條件下，他們的晶體管表現(xiàn)優(yōu)于其他公司的產(chǎn)品。

要解釋這些技術(shù)術(shù)語，我們必須從 GAAFET 開始。柵極全場效應(yīng)晶體管（簡稱 GAAFET）是繼 MOSFET 和 FINFET 之后的下一代晶體管技術(shù)。

晶體管的創(chuàng)新很大程度上是由對源極和柵極通信的更好控制所推動的；MOSFET 的源極在一個平面上由柵極接觸，而 FINFET 的柵極有三個平面接觸，顧名思義，柵極全包圍結(jié)構(gòu)在相交的柵極中環(huán)繞源極。下面是三星對差異的說明圖（以及三星專有的 MBCFET 版本的 GAAFET）。

GAAFET 晶體管并不是什么新鮮事物；晶體管技術(shù)對于制造 3nm 及以下的微芯片至關(guān)重要。北京大學(xué)的重大創(chuàng)新來自其晶體管的二維特性，這是通過使用硅以外的元素實現(xiàn)的。

Bi?O?Se，又稱硒化鉍，是一種多年來一直被研究用于 1nm 以下工藝節(jié)點的半導(dǎo)體材料，這很大程度上得益于其二維半導(dǎo)體特性。二維半導(dǎo)體（如 2D Bi?O?Se）在小規(guī)模上比硅更靈活、更堅固，而硅在 10nm 節(jié)點下也會降低載流子遷移率。

從硅到鉍的歷程

先進(jìn)的超硅電子技術(shù)要求同時發(fā)現(xiàn)溝道材料和超低電阻觸點。原子薄的二維半導(dǎo)體在實現(xiàn)高性能電子器件方面有很大的潛力。然而，由于金屬誘導(dǎo)隙態(tài)（MIG）金屬-半導(dǎo)體界面上的能量勢壘從根本上導(dǎo)致高接觸電阻和低電流傳輸能力，迄今為止限制了二維半導(dǎo)體晶體管的改進(jìn)。

中國臺灣大學(xué)、臺積電與美國麻省理工學(xué)院使用半金屬鉍（Bi）材料制作二維材料的接觸電極，可大幅降低電阻并提高電流，促進(jìn)更小芯片制程的開發(fā)。

研究人員制作了半金屬鉍和半導(dǎo)電單層過渡金屬二鹵化物（TMD）之間的歐姆接觸，其中MIG被充分抑制，TMD中的簡并態(tài)在與鉍接觸時自發(fā)形成。通過這種方法，在單分子膜MoS2上實現(xiàn)了零肖特基勢壘高度、123歐姆微米的接觸電阻和1135微安/微米的通態(tài)電流密度，這兩個值分別是有記錄以來的最低值和最高值。研究人員還證明了在各種單分子膜半導(dǎo)體，包括MoS2，WS2和WSe2上可以形成良好的歐姆接觸，接觸電阻是二維半導(dǎo)體的一個重大改進(jìn)，接近量子極限。這項技術(shù)揭示了高性能單層晶體管的潛力，這種晶體管與最先進(jìn)的三維半導(dǎo)體不相上下，可以進(jìn)一步縮小器件尺寸，擴(kuò)展摩爾定律。

在這項工作中，麻省理工學(xué)院團(tuán)隊首先發(fā)現(xiàn)半金屬鉍（Bi）作為電極的可能性，隨后臺積電技術(shù)研究部門將鉍沉積制程進(jìn)行優(yōu)化，中國臺灣大學(xué)團(tuán)隊運用氦離子束微影系統(tǒng)將元件通道成功縮小至納米尺寸。這項新技術(shù)的突破，將解決二維半導(dǎo)體進(jìn)入產(chǎn)業(yè)界的主要問題，是集成電路能在后摩爾時代繼續(xù)前進(jìn)的重要技術(shù)。

此次利用半金屬鉍（Bi）作為二維材料的接觸電極可謂是邁向1nm甚至更先進(jìn)制程的關(guān)鍵一步。隨著芯片制程的不斷延伸，每突破一步都是非常困難，在未來1nm甚至1nm以下的工藝中，如何能夠把控好性能與功耗之間的平衡是目前需要突破的一大技術(shù)瓶頸。

這項新技術(shù)的突破，將解決二維半導(dǎo)體進(jìn)入產(chǎn)業(yè)界的主要問題，是集成電路能在后摩爾時代繼續(xù)前進(jìn)的重要技術(shù)。

堆疊二維晶體管方面的突破以及從硅到鉍的轉(zhuǎn)變對于半導(dǎo)體的未來來說是令人興奮的，對于中國產(chǎn)業(yè)在半導(dǎo)體前沿領(lǐng)域的競爭也是必要的。

雖然 2D GAAFET 晶體管可能不是半導(dǎo)體制造的未來，但這項研究表明中國的研究人員已經(jīng)準(zhǔn)備好創(chuàng)新，推動該行業(yè)向前發(fā)展。

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