本文由半導體產(chǎn)業(yè)縱橫（ID：ICVIEWS）綜合

北京大學正在大步邁向后硅時代和后埃時代。

北京大學研究團隊發(fā)表了一項關于二維低功耗 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導的跨學科團隊在《自然》雜志上發(fā)表了研究成果，一些團隊成員稱這一發(fā)現(xiàn)堪稱是一次里程碑式的突破。

北京大學的研究團隊已經(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’，”彭建軍在北京大學網(wǎng)站的一份聲明中繼續(xù)說道。

該團隊聲稱已經(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。

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

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，柵極全包圍結構在相交的柵極中環(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；晶體管技術對于制造 3nm 及以下的微芯片至關重要。北京大學的重大創(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)點的半導體材料，這很大程度上得益于其二維半導體特性。二維半導體（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

先進的超硅電子技術要求同時發(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，由于金屬誘導隙態(tài)（MIG）金屬-半導體界面上的能量勢壘從根本上導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體晶體管的改進。

中國臺灣大學、臺積電與美國麻省理工學院使用半金屬鉍（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，促進更小芯片制程的開發(fā)。

研究人員制作了半金屬鉍和半導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體的一個重大改進，接近量子極限。這項技術揭示了高性能單層晶體管的潛力，這種晶體管與最先進的三維半導體不相上下，可以進一步縮小器件尺寸，擴展摩爾定律。

在這項工作中，麻省理工學院團隊首先發(fā)現(xiàn)半金屬鉍（Bi）作為電極的可能性，隨后臺積電技術研究部門將鉍沉積制程進行優(yōu)化，中國臺灣大學團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。這項新技術的突破，將解決二維半導體進入產(chǎn)業(yè)界的主要問題，是集成電路能在后摩爾時代繼續(xù)前進的重要技術。

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甚至更先進制程的關鍵一步。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瓶頸。

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

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

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

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