作者:冯丽妃 高嘉玮 来源:中国科学报 发布时间:2023/4/5 21:09:40
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速度更快、功耗更低
超越硅极限二维晶体管诞生

 

 

“在弹道输运晶体管中,电子像子弹一样穿过沟道没有受到碰撞,能量没有被散射损失掉,所以弹道率越高的器件,能量利用效率更高。”近日,北京大学电子学院研究员邱晨光向《中国科学报》解释。

随着硅基芯片逐渐接近摩尔定律物理极限,科学界和产业界都在不断尝试利用各种二维材料,开发出更优秀的新一代芯片。

近日,北京大学电子学院彭练矛院士、邱晨光研究员团队研发出弹道二维硒化铟(InSe)晶体管,这是世界上迄今速度最快、能耗最低的二维半导体晶体管,其实际性能超过英特尔商用最先进的硅基晶体管。相关研究近日发表于《自然》。

据介绍,新晶体管室温弹道率高达83%,远高于硅基晶体管的弹道率(低于60%),有望实现兼具高性能和低功耗的芯片。

多位国际审稿人认为,这项研究解决了实现高性能二维晶体管的多个重要挑战,是二维电子器件研究的重要里程碑,具有重要的科学意义。

瞄准“关键瓶颈”

芯片作为信息时代的“心脏”,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,然而当前硅基芯片已接近摩尔定律物理极限。

计算机行业一直遵循着摩尔定律,即当价格不变时,在给定的集成电路面积上,容纳比前一代多一倍的晶体管,使其性能提升一倍。但多年来的实践表明,集成电路在性能提升的同时,短沟道效应等负面效应增加,集成难度、能耗和成本也在上升。

二维半导体材料则被认为是未来芯片沟道材料的下一个“风口”。

这种原子级厚度的材料具有超薄体、高迁移率等优势,吸引了科学界和工业界的广泛兴趣。近年来英特尔、台积电、三星和欧洲微电子中心等全球领先半导体制造公司与研究机构均对二维材料投入研究。

然而,受限于接触电阻、栅介质等方面的瓶颈,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。

基于十多年来在纳米器件领域的研究,该团队针对二维电子学领域的底层核心问题和关键科学瓶颈进行攻关,希望挖掘二维半导体在电子学领域的最终潜力,制备出真正发挥低维材料本征优势的二维晶体管。

他们选用二维硒化铟作为沟道材料,这种半导体材料具备远超同类材料的绝佳物理特性。例如,拥有更高的室温载流子迁移率(>2000 cm2/Vs),更小的电子有效质量(0.14me),材料本征的热速度可以更高。根据计算,其电学性能优于目前已知的几乎全部的N型半导体材料(包括传统的硅半导体)

“理论上,用二维硒化铟作为沟道的晶体管会拥有更高的极限性能。”论文第一作者、北京大学电子学院博士生姜建峰对《中国科学报》说。

然而,如何让理论成为现实?这并非易事。

据介绍,台积电技术研究处也将二维硒化铟列为最有潜力的N型半导体材料。但目前受限于实验上的诸多挑战,尚未实现近极限性能的硒化铟晶体管。

摆在硒化铟等二维半导体材料应用方面的一个国际难题是,这类材料与金属接触会形成“费米钉扎效应”,产生大接触电阻,极大地限制了晶体管的速度。

“弹道晶体管在超短沟道传输时几乎没有散射,能量主要消耗在接触处的金属与半导体结中,这也是二维电子学中极难的核心瓶颈。”邱晨光研究员解释说。

面对这一世界性难题,研究团队通过总结和考察商用硅基晶体管接触方面的成熟结构和策略,探索了一种在二维电子器件中实现欧姆接触的全新方法,即固态源掺杂诱导相变技术,在全球率先将二维晶体管的器件总电阻推至近理论极限,刷新至124欧姆?微米,满足集成电路未来节点对晶体管电阻的要求(220欧姆?微米)。

国际审稿人对这一技术革新给予了高度评价。他们认为,接触电阻一直是二维半导体电子产品发展的一个主要瓶颈,研究者创新性地发展出新方法来克服了这个重大挑战,实现了创纪录的低接触电阻,为展示高性能二维晶体管树立了标杆。

打破硅基芯片终极“红墙”

国际半导体器件与系统路线图(IRDS)预测,硅基晶体管的极限栅长将停止在12 纳米,工作电压不能小于0.6 伏。这定义了未来硅基芯片缩放过程结束时的最终集成度和功耗。

对标业界IRDS所预测的硅基器件发展路线图,邱晨光研究员表示,弹道二维硒化铟晶体管打破了四个硅基“终极红墙”。

首先,二维硒化铟晶体管沟长缩小到10纳米,超越硅基极限12纳米,同时可保持理想的亚阈值摆幅75毫伏量程,器件关态特性超过英特尔商用10纳米节点的硅基最优FinFET晶体管。其次,工作电压可缩小到0.5伏,超越2031年预计硅基极限0.6伏。同时,门延时缩减到0.32皮秒,相当于四倍优势于硅基极限(1.26皮秒)。此外,功耗延迟积(缩减到4.32 ×10-29焦秒/微米)比硅基极限低一个量级。

姜建峰向《中国科学报》表示,这意味着未来利用硒化铟晶体管构建的大规模集成电路,比硅基电路在低数倍功耗的条件下具备更高的性能和处理速度,有望实现兼具高性能和低功耗的芯片。

“这无疑是迄今为止性能最高的二维晶体管,说明二维材料晶体管的真实性能(不仅仅在理论上)已经超过了最先进的硅基晶体管。”该论文国际审稿人评价。

开启电子器件“新里程”

从被学界与业界寄予厚望,到真正研制出世界上迄今速度最快、能耗最低的二维半导体晶体管,这项“里程碑”式的突破背后,凝聚了研究团队从2019年到2022年前后四年里持之以恒的探索与大胆创新。

它所带来的技术革新是多方面的。

除了解决电子器件总电阻方面的国际难题,研究团队还创新性地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%,远高于硅基晶体管的弹道率(小于60%),为目前场效应晶体管的最高值。

他们还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。

对此,审稿人认为,这项研究解决了实现高性能二维晶体管的多个挑战,为二维晶体管研究领域的标志性里程碑式工作。

接下来,邱晨光表示研究团队将聚焦二维电子学的几个重要研究方向进行攻关,如二维器件的P型欧姆接触、二维材料的晶圆级单晶的大面积生长与转移、二维器件的标准化集成加工工艺及其与硅基和碳基的异构集成等,从而希望加速二维材料芯片技术的发展进程。

本研究共四位作者,姜建峰与北京大学电子学院博士徐琳为并列第一作者,彭练矛和邱晨光为共同通讯作者,北京大学电子学院为论文唯一单位。

相关论文信息:

https://doi.org/10.1038/s41586-023-05819-w

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更快更省电的低维半导体芯片。受访者供图

 

 
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