近日，北京大學化學與分子工程學院彭海琳教授團隊與電子學院邱晨光研究員團隊合作，研製出世界首例低功耗高效能二維環柵電晶體及邏輯單元，成果在《自然-材料》發表。該電晶體的速度和能效同時超過了矽基物理極限，是世界上迄今速度最快、能耗最低的電晶體。該工作有望推動晶片領域新一輪技術革新，為我國先進製程積體電路製造技術發展贏得主動。

小小器件何以具備如此強大的效能？融媒體中心記者採訪了彭海琳教授及其團隊成員，他們為記者講述了團隊的“芯”路歷程，以及成果對推動中國晶片技術高質量發展的意義。

二維環柵電晶體，顧名思義，“二維”指二維半導體材料、“環柵”表示柵極全環繞包圍半導體溝道的結構。二維環柵電晶體是未來積體電路晶片功耗縮放與效能釋放的最優解之一，這已成為學術界和工業界的共識，但是當前最高水平的二維環柵電晶體的效能與功耗尚不能和主流矽基電晶體相比，此外還缺乏規模化製備二維環柵電晶體異質結的手段。彭海琳團隊的最新成果從材料、架構雙維度實現了二維環柵電晶體技術的革新，速度和能效均超過了矽基電晶體物理極限。

一直以來，積體電路技術的發展在“摩爾定律”的驅使下，始終依靠器件尺寸的微縮、整合密度的加大，從而在單位面積上實現算力的提升。由於材料、架構的限制，積體電路發展到一定階段就會遇到算力增長的“瓶頸”，每當這時，積體電路技術就會在原理層面出現重大創新，電晶體“更新換代”，衝破原有“硬體”限制，讓晶片算力在一個新的層面繼續提升。

具體而言，在積體電路技術的發展歷程中，矽基電晶體尺寸的微縮促進了積體電路密度和算力的提升，但由於短溝道效應等限制，柵極對平面溝道導電通道的靜電控制能力下降，導致漏電流增加和功耗上升等問題。為了解決柵極對溝道的靜電控制問題，研究人員在器件架構上“做文章”，於是新一代技術——鰭式場效應電晶體（FinFET）於20世紀90年代初期誕生了。這種鰭式電晶體將原先的平面電路“原地拔高”，使溝道呈直立“鰭片”形狀分佈，這樣的器件溝道在結構上產生與柵極更大的接觸面積，從而增強了柵極對器件導電通道的控制能力。如果將普通電晶體電路看作條條馬路，那鰭式電晶體就類似拔地而起的座座高樓。2011年，英特爾推出商業化的鰭式電晶體技術，從22奈米節點開始主導了積體電路微縮製程工藝，也是當前最先進的商用3奈米晶片製程的主流架構。

但隨著積體電路密度進一步增大，在3奈米節點以下，因面臨物理極限與工藝難度挑戰，鰭式電晶體結構在溝道電流控制方面再次遇到瓶頸，算力難以提升且功耗急劇增大，於是“新一代”技術——環柵電晶體（GAAFET）應運而生。這種環柵結構將原先“高樓”的“地基”去掉，讓這些“空中樓閣”溝道與柵極四面全環繞包圍，接觸面進一步增加，再次增強柵極對溝道電流的控制，讓電晶體獲得更高的速度和更低的功耗。從外觀看，可以將環柵電晶體結構比擬為四通八達的立交橋。以矽基作為主要溝道材料的環柵電晶體技術作為最先進的2奈米節點技術，目前日趨成熟，即將在市場上得到推廣。

在矽基電晶體架構不斷發展迭代的基礎上，由於矽基材料已接近其物理極限，人們一直沒有停止尋找比矽基更為理想的溝道材料。相比傳統的矽基材料，二維半導體材料具有表面無懸掛鍵、原子級均勻厚度和高遷移率等特性，被看作“後矽材料”。全球眾多知名半導體公司和研究機構都在致力於此器件材料的研發。以二維材料加持的環柵結構的電晶體，被業界看作更新一代的電晶體結構。不過，此類器件面臨源漏接觸、柵介質材料及介面等多重挑戰，效能與功耗仍無法與業界矽基電晶體相媲美。這也是讓該技術目前還停留在概念階段的主要瓶頸所在。

彭海琳團隊運用自主研發的新型高遷移率鉍基二維半導體材料（硒氧化鉍，Bi₂O₂Se）及其高介電常數自然氧化物柵介質（Bi₂SeO₅），將其用於製作最先進的二維環柵電晶體，可謂對電晶體進行“跨代升級”。該二維半導體溝道與層狀自然氧化物柵的介面結構原子級平整，缺陷極少，效能穩定，能極大減少對電子散射和電流損耗，如同“內壁光滑的水管”讓水流在水管裡毫無阻力地高速流動；這種材料的層狀氧化物的介電常數大，製成的控制柵極可以做得非常薄而不漏電，從而使所需控制電流開關的柵控電壓大幅減小，實現了提升算力、降低漏電的同時還將能耗降到最低。

在相同工作條件下，該鉍基二維環柵電晶體的效能超越英特爾、臺積電、三星、比利時微電子中心報道的最先進環柵電晶體；其運算速度和能效同時超越當前商用矽基電晶體的最佳水平。

目前團隊已製作出二維環柵電晶體的小型邏輯單元，正在為下一步規模邏輯器件量產積累經驗和奠定基礎。現階段，該電晶體還可以用於製造高效能感測器和柔性電子器件。而團隊也發現該二維環柵電晶體的更大潛力。“鉍基二維電晶體具有豐富的科學內涵和很好的應用前景，我們正開展更深入研究，隨著技術最佳化，該類電晶體有望實現感測、儲存、計算一體化整合功能，這種感存算一體化將引發更具競爭力的技術革新。”彭海琳告訴記者。

值得說明的是，新型高遷移率鉍基二維半導體材料（硒氧化鉍，Bi₂O₂Se）及其高介電常數自然氧化物柵介質（Bi₂SeO5）是極少數具有與商用矽基（Si/SiO₂）類似優勢的材料體系，也是屈指可數的由我國科學家自主開發的材料體系。彭海琳說，這種具備不尋常效能的電晶體材料最初是在一次“不尋常”的實驗中誕生的。

10年前，課題組研究生吳金雄在一次拓撲絕緣體硒化鉍奈米片製備的實驗中，由於製備系統引數控制出現些許誤差，導致實驗過程中摻入了氧，製備的材料也沒有達到預期的標準，反而製得了一種方形奈米薄片晶體——二維硒氧化鉍。正當吳金雄準備重新排除氧做硒化鉍實驗時，彭海琳讓他停一停。

在材料物理化學領域深耕多年的彭海琳對相關重點領域主要材料的效能瞭如指掌，同時對積體電路前沿領域進展也高度關注，未曾間斷地尋找著適用於新原理、新架構晶體管制作的新材料。“這項工作非常難，因為你不但要找到適合做半導體溝道的材料，還要找到其對應的匹配高效能氧化物用作電晶體的柵介質，這些條件同時符合的機率非常低。”

看到實驗結果的彭海琳頓生“那人卻在燈火闌珊處”之感，他敏銳地察覺到，這次實驗失敗得到的硒氧化鉍二維新材料可能“非同尋常”。

彭海琳帶領團隊對這種新型鉍基二維半導體材料進行了系統全面的評估和研究，發現其具有超高遷移率、合適帶隙、高穩定性、理想氧化物柵介質，可批次製備等特點，各項引數都完美符合“後摩爾時代”半導體新材料的工業綜合要求。而且，對應的氧化物柵介質同樣符合工業要求，與二維半導體形成了一類完美的“類矽（矽/二氧化矽）材料體系”。彭海琳堅信這種材料在半導體行業和積體電路器件製造領域的巨大潛力，於是便調整課題組研究方向，帶領一部分組員，全面開展這種新材料研發工作，並全力投入到最新架構的積體電路器件研發工作中。

彭海琳課題組從2017年率先在《自然-奈米技術》發文報道這種二維硒氧化鉍新材料的優異半導體效能，2020年在《自然-電子學》率先報道其自然氧化物高k柵介質，2023年在《自然》發文報道全球首例外延整合型二維鰭式電晶體，再到今年最先進的二維環柵電晶體問世，其間，彭海琳課題組不斷髮表階段性成果，在該領域深耕，向著得到完美器件的目標堅定行進。彭海琳認為：“如果方向正確，持續努力，成果的取得只有時間早晚的區別。”

在彭海琳看來，機會是留給有準備的人。能夠把握住機緣，歸根到底還是靠其背後充分的前期準備工作、良好的科研品味以及敏銳的洞察力——這也是他一直希望他的學生透過訓練掌握的能力。

“要重視實驗細節，遇到反常結果就拿小本子記下來。”這是彭海琳經常囑咐團隊成員保持的習慣。他要求同學們不僅要有洞察力、透過現象看到本質的能力，還要有紮實的分析能力和思考能力，能解釋反常現象背後的原理、總結規律。

這次成果通訊作者之一、化學學院的譚聰偉副研究員印象深刻的是，一次在做實驗的過程中，他得到的二維半導體硒氧化鉍材料的奈米片結構有些“反常”，其狀態並非能量最低的“躺平”結構，而是像“魚鰭”一樣聳立的鰭式結構。這種看似違反“常規”的現象讓他意識到，其背後必有特殊的規律。經過與彭海琳的深入研討、分析發現，這種二維鰭片材料的側邊與生長基片表面有著外延關係，具有比一般材料更好的結合力。他們也將這個思路運用到全球首例外延整合型二維鰭式電晶體材料的研製中，成果發表在《自然》上，被評選為2023年度中國半導體十大研究進展和中國晶片科學十大進展。

本科為化學專業，博士期間研究物理化學，博士後期間專攻能源材料化學，現在主要研究方向為材料物理化學與奈米器件……彭海琳是一位典型的在跨學科背景下成長的科學家。他的團隊成員來自化學學院、物理學院、材料科學與工程學院、電子學院以及前沿交叉學科研究院。不同的專業背景，讓每次組會充滿思想性、思辨性，團隊成員樂於聽到角度不同的觀點，聽到“不尋常”的解釋。思想的碰撞，讓靈感的火花不斷湧現。

不拘於常規方法、敢於提出新觀點、推出新體系，既敢於做“最新”，也勇於做“最好”，是彭海琳團隊的價值觀。

“如果將在現有材料基礎上開展晶片技術革新比作‘彎道超車’，研製二維材料電晶體就是‘換道超車’。”在彭海琳看來，不走尋常路，固然是“卡脖子”境遇下的無奈之舉，但可以倒逼著我們從新的角度找到解決問題之道，真正實現“自立自強”。

當今世界矽基材料最先進製程工藝也達到3奈米節點。中國大陸的製造工藝暫時還不能生產出同等精度的矽基電晶體。但如果以中國大陸現有加工技術製造的該新型二維環柵電晶體，據課題組預估，其速度已可以達到國際上最先進矽基晶片的約1.4倍，而能耗僅為其90%。隨著製造工藝精度的提升，這些指標將與矽基器件進一步拉大領先優勢。

“在新領域航行確有風險，但是，不走出舒適區，在‘尋常路’上跟著別人亦步亦趨，怎麼能取得原創性成果、實現領跑？”彭海琳如是說。

此次彭海琳團隊還與邱晨光研究員團隊進行合作，運用北大電子學院高精度加工平臺，使得研究團隊的短溝道二維環柵器件構想得以更好地實現，從而為與矽基電晶體進行效能對比提供了直觀的樣本，向著探索後續產業化技術潛力的工作邁出了第一步。

在彭海琳眼中，這次成果還只是階段性工作，現在要做的事情還很多。“矽基電晶體之所以發展這麼快，單晶矽能做到12英寸，就是早期有一大批科研人員在解決原材料問題上紮紮實實地開展研究，今天我們面對任何一種新的材料，同樣要沉下心來把材料效能搞得明白透徹，在材料製備工藝和器件工藝上做到精益求精。只有腳踏實地把每一步走好，才能讓技術應用的道路更加順暢。”

彭海琳團隊還從事著石墨烯產業化核心技術研發應用工作。新興材料石墨烯在新能源、電子器件、生物醫學等領域都有巨大應用潛力。儘快推動這些技術造福於民、服務經濟社會發展，始終是彭海琳的初心和願景。“製備決定未來”，只有紮紮實實地攻克新材料的穩定製備和工程化量產，才能奠定新材料應用基礎。彭海琳研究團隊之前就成功研製了石墨烯單晶晶圓及相關製備裝備，並與合作者建設了生產線，實現了石墨烯晶圓的量產，開發了高效能的石墨烯光電器件和石墨烯電鏡載網產品。當前，他們正在打通鉍基二維新材料的製備“方法-工藝-裝備”關鍵環節，做出符合工業界生產要求尺寸的晶圓，讓材料製備更加可靠穩定，為技術應用落地打好基礎。“下一步要讓二維環柵電晶體這個體系的優勢充分展現出來。”

當然，彭海琳還忙於將他的理念薪火相傳，培育科技創新後備軍。“自由探索需要邁過使命感這個‘門檻’，”彭海琳說，“為加快實現國家高水平科技自立自強貢獻智慧和力量，就是我們現在的方向和使命。”

身為院長的彭海琳行政事務繁重，但他堅守在教學與科研一線，自2020年以來，連續5年獲得北京大學優秀博士學位論文指導教師。他的團隊定期組織每週的組會和多次小組討論。“定期開組會很重要，趕上出差我就在線上參加組會和討論，並提一些建議。”有時候，研究小組一段時間經過努力也沒有得到理想的實驗結果，彭海琳就鼓勵大家：“創新型研究往往要克服很多困難，失敗是常有的，要有容‘錯’糾‘錯’機制。”他的團隊著眼長遠，從不因一時困難而氣餒，善於從失敗汲取價值，堅持不懈，久久為功。

“課題組的師生都能沉下心來，朝著既定目標努力，在有組織的基礎上自由探索，發揮各自的優勢。”在譚聰偉眼中，課題組有著活躍、有序、務實的文化氛圍。

在先進製程積體電路製造這方全球半導體產業的“兵家必爭之地”，未來的競爭勢必愈發激烈，彭海琳和他的團隊仰望星空、腳踏實地，他們堅信，以不變方能應萬變，紮紮實實地做好本職工作，取得成果、贏得主動便是水到渠成的事。千千萬萬科技工作者如是“精耕細作”，中國科技自立自強的步伐將堅定前行。