中国半导体十大研究进展候选推荐（2023-006）——超越硅极限的弹道二维晶体管
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工作简介
北京大学彭练矛院士、邱晨光研究员团队构筑了10纳米超短沟道弹道二维硒化铟晶体管，首次使得二维晶体管实际性能超过业界Intel硅基Fin晶体管，所实现的二维晶体管性能首次超过IRDS预测的硅极限，并且将二维晶体管的工作电压降到0.5伏，这也是国际上迄今速度最快能耗最低的二维半导体晶体管。相关研究成果以“Ballistic two-dimensional InSe transistors”为题，2023年3月22日在线发表于《自然》（Nature）。
芯片是大数据和人工智能发展的关键硬件基础。芯片速度提升源于晶体管的微缩，但是传统硅基场效应晶体管已逐渐接近其本征物理极限。据国际半导体器件与系统路线图（The International Roadmap for Devices and Systems, 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。因此，亟需发展新型沟道材料以延续摩尔定律。二维半导体是一种原子级厚度的材料，由于其超薄体和高迁移率的优势，成为未来芯片沟道材料的有力候选者之一，吸引了科学界和工业界的广泛兴趣。全球领先的半导体制造公司和研究机构，如英特尔、台积电、三星和欧洲微电子中心等，都在对二维材料进行研究。然而，由于接触、栅介质和材料等方面的瓶颈，至今所有实现的二维晶体管性能都不能媲美业界先进节点硅基晶体管。当前已有实验结果远落后于理论预测，无法充分展示二维半导体的潜力。
本研究实现了三方面技术革新：第一，使用高载流子热速度（更小有效质量）的三层硒化铟作为沟道，在室温下实现了83%的弹道率，为迄今二维场效应晶体管的最高值，远超过硅基晶体管的弹道率；第二，解决了二维材料表面生长超薄氧化层的难题，成功制备了2.6纳米超薄双栅氧化铪，将器件跨导提升至6毫西/微米，超过所有二维器件一个数量级；第三，开创了掺杂诱导二维相变技术，克服了二维器件领域金半接触的国际难题，将器件总导通电阻刷新至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）。
图1. 弹道二维硒化铟晶体管与先进节点硅基晶体管的比较。
这项工作突破了长期以来阻碍二维电子学发展的关键科学瓶颈，将二维半导体晶体管的性能首次推近理论极限，率先在实验上证明出二维器件性能和功耗上优于先进硅基技术，为推动二维半导体技术的发展注入强有力的信心和活力。
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作者简介
通讯作者
彭练矛，中国科学院院士，北京大学电子学院院长，博士生导师。
1994年获首批国家杰出青年科学基金资助，1999年入选首届教育部“长江学者奖励计划”特聘教授。长期从事碳基电子学领域的研究，做出一系列基础性和开拓性贡献。四次担任国家“973计划”、重大科学研究计划和重点研发计划项目首席科学家。在《科学》《自然》等期刊发表SCI论文400余篇。相关成果获国家自然科学二等奖（2010和2016年）、高等学校科学研究优秀成果奖（科学技术）自然科学一等奖（2013年）、北京市科学技术一等奖（2004年），入选中国科学十大进展（2011年）、中国高等学校十大科技进展（2000和2017年）、中国基础科学研究十大新闻（2000年）。个人获何梁何利基金科学与技术进步奖（2018年）、全国创新争先奖（2017年）、推动“北京创造”的十大科技人物（2015年）、全国优秀博士学位论文指导教师（2009年）、北京大学首届十佳导师（2013年）等荣誉。
通讯作者
邱晨光， 北京大学电子学院研究员，博士生导师，“博雅青年学者”。
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原文传递
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《半导体学报》简介：
《半导体学报》是中国科学院主管、中国电子学会和中国科学院半导体研究所主办的学术刊物，1980年创刊，首任主编是王守武院士，黄昆先生撰写了创刊号首篇论文，2009年改为全英文刊Journal of Semiconductors（简称JOS），同年开始与IOPP英国物理学会出版社合作向全球发行。现任主编是国科大校长李树深院士。2019年，JOS入选“中国科技期刊卓越行动计划”。2020年，JOS被EI收录。
“半语-益言”系列讲座
借一言半语，聊“核芯”科技，“半语-益言”全三季直播讲座回放链接：
https://www.koushare.com/topicReview/byyy/68
2023年第四季直播讲座将继续举办，敬请关注。
“中国半导体十大研究进展”推荐与评选工作简介：
《半导体学报》于2020年初启动实施 “中国半导体年度十大研究进展”的推荐和评选工作，记录我国半导体科学与技术研究领域的标志性成果。以我国科研院所、高校和企业等机构为第一署名单位，本年度公开发表的半导体领域研究成果均可参与评选。请推荐人或自荐人将研究成果的PDF文件发送至《半导体学报》电子邮箱：jos@semi.ac.cn，并附简要推荐理由。被推荐人须提供500字左右工作简介，阐述研究成果的学术价值和应用前景。年度十大研究进展将由评审专家委员会从候选推荐成果中投票产生，并于下一年度春节前公布。
JOSarXiv预发布平台简介：
半导体科技发展迅猛，科技论文产出数量逐年增加。JOSarXiv致力于为国内外半导体领域科研人员提供中英文科技论文免费发布和获取的平台，保障优秀科研成果首发权的认定，促进更大范围的学术交流。JOSarXiv由《半导体学报》主编李树深院士倡导建立，编辑部负责运行和管理，是国内外第一个专属半导体科技领域的论文预发布平台，提供预印本论文存缴、检索、发布和交流共享服务。
JOSarXiv于2020年1月1日正式上线（http://arxiv.jos.ac.cn/），通过《半导体学报》官网（http://www.jos.ac.cn/）亦可访问。敬请关注和投稿！
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