世界首个2D GAAFET晶体管，问世！

本文由半导体产业纵横（ID：ICVIEWS）综合

北京大学正在大步迈向后硅时代和后埃时代。

北京大学研究团队发表了一项关于二维低功耗 GAAFET 晶体管的研究成果，这是世界上首例此类晶体管。由彭海林教授和邱晨光领导的跨学科团队在《自然》杂志上发表了研究成果，一些团队成员称这一发现堪称是一次里程碑式的突破。

北京大学的研究团队已经制作出论文中所描述的“晶圆级多层堆叠单晶二维 GAA 配置”。

“这是迄今为止速度最快、效率最高的晶体管，”彭建军在谈到其团队的突破时说道。“如果基于现有材料的芯片创新被视为‘捷径’，那么我们开发基于二维材料的晶体管就好比‘换道’，”彭建军在北京大学网站的一份声明中继续说道。

该团队声称已经将他们的晶体管与英特尔、台积电、三星等公司的产品进行了测试，在匹配的操作条件下，他们的晶体管表现优于其他公司的产品。

要解释这些技术术语，我们必须从GAAFET开始。栅极全场效应晶体管（简称GAAFET）是继MOSFET和FINFET之后的下一代晶体管技术。

晶体管的创新很大程度上是由对源极和栅极通信的更好控制所推动的；MOSFET 的源极在一个平面上由栅极接触，而 FINFET 的栅极有三个平面接触，顾名思义，栅极全包围结构在相交的栅极中环绕源极。下面是三星对差异的说明图（以及三星专有的 MBCFET 版本的 GAAFET）。

GAAFET 晶体管并不是什么新鲜事物；晶体管技术对于制造 3nm 及以下的微芯片至关重要。北京大学的重大创新来自其晶体管的二维特性，这是通过使用硅以外的元素实现的。

Bi₂O₂Se，又称硒化铋，是一种多年来一直被研究用于 1nm 以下工艺节点的半导体材料，这很大程度上得益于其二维半导体特性。二维半导体（如 2D Bi₂O₂Se）在小规模上比硅更灵活、更坚固，而硅在 10nm 节点下也会降低载流子迁移率。

从硅到铋的历程

先进的超硅电子技术要求同时发现沟道材料和超低电阻触点。原子薄的二维半导体在实现高性能电子器件方面有很大的潜力。然而，由于金属诱导隙态（MIG）金属-半导体界面上的能量势垒从根本上导致高接触电阻和低电流传输能力，迄今为止限制了二维半导体晶体管的改进。

中国台湾大学、台积电与美国麻省理工学院使用半金属铋（Bi）材料制作二维材料的接触电极，可大幅降低电阻并提高电流，促进更小芯片制程的开发。

研究人员制作了半金属铋和半导电单层过渡金属二卤化物（TMD）之间的欧姆接触，其中MIG被充分抑制，TMD中的简并态在与铋接触时自发形成。通过这种方法，在单分子膜MoS2上实现了零肖特基势垒高度、123欧姆微米的接触电阻和1135微安/微米的通态电流密度，这两个值分别是有记录以来的最低值和最高值。研究人员还证明了在各种单分子膜半导体，包括MoS2，WS2和WSe2上可以形成良好的欧姆接触，接触电阻是二维半导体的一个重大改进，接近量子极限。这项技术揭示了高性能单层晶体管的潜力，这种晶体管与最先进的三维半导体不相上下，可以进一步缩小器件尺寸，扩展摩尔定律。

在这项工作中，麻省理工学院团队首先发现半金属铋（Bi）作为电极的可能性，随后台积电技术研究部门将铋沉积制程进行优化，中国台湾大学团队运用氦离子束微影系统将元件通道成功缩小至纳米尺寸。这项新技术的突破，将解决二维半导体进入产业界的主要问题，是集成电路能在后摩尔时代继续前进的重要技术。

此次利用半金属铋（Bi）作为二维材料的接触电极可谓是迈向1nm甚至更先进制程的关键一步。随着芯片制程的不断延伸，每突破一步都是非常困难，在未来1nm甚至1nm以下的工艺中，如何能够把控好性能与功耗之间的平衡是目前需要突破的一大技术瓶颈。

这项新技术的突破，将解决二维半导体进入产业界的主要问题，是集成电路能在后摩尔时代继续前进的重要技术。

堆叠二维晶体管方面的突破以及从硅到铋的转变对于半导体的未来来说是令人兴奋的，对于中国产业在半导体前沿领域的竞争也是必要的。

虽然 2D GAAFET 晶体管可能不是半导体制造的未来，但这项研究表明中国的研究人员已经准备好创新，推动该行业向前发展。

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