中国半导体十大研究进展候选推荐（2023-009）——首例外延高κ栅介质集成型二维鳍式晶体管

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工作简介

         ——首例外延高κ栅介质集成型二维鳍式晶体管

北京大学彭海琳教授团队实现了世界首例二维半导体鳍片/高κ栅氧化物异质结阵列的外延生长及其三维架构的异质集成，并研制了高性能二维鳍式场效应晶体管（2D FinFET）。该原创性工作突破了后摩尔时代高速低功耗芯片的二维半导体/高κ栅介质精准合成与新架构三维异质集成瓶颈，为开发未来先进芯片技术带来新机遇。相关研究成果以“2D fin field-effect transistors integrated with epitaxial high-κ gate oxide”为题，发表于《自然》杂志（Nature 2023, 616, 66-72）。
集成电路芯片作为信息社会的基石，正朝着高性能、低功耗、多样性和高集成度方向发展。得益于以传统硅基半导体/氧化物（如Si/SiO₂、Si/HfO₂）为核心的CMOS（互补金属氧化物半导体）晶体管尺寸的持续微缩，当前芯片已成功迭代至3纳米制程节点。然而，由于短沟道效应等限制，传统硅基晶体管微缩已趋近物理极限，芯片功耗上升和算力不足等瓶颈问题日益突出。因此，亟需探索“后摩尔时代”新材料、新器件和新架构，推动高端电子器件与集成电路芯片的可持续发展。
材料与架构的创新是芯片过去30多年来发展的核心驱动力，也是摩尔定律推进的重要基础。90纳米节点高迁移率应变硅的应用、45纳米节点高介电常数（κ）氧化物-金属栅与半导体沟道的异质集成、22纳米节点垂直鳍片（Fin）架构的开发都为推动现代芯片产业发展做出了重要贡献，共同主导了晶体管微缩。硅基鳍式晶体管（FinFET）也是当前最先进的商用5纳米制程芯片的主流架构。据学术界和产业界共同制定的国际器件与系统路线图（IRDS）预测，2 纳米技术节点以下，高迁移率二维半导体将成为未来“后硅材料”候选新沟道材料之一。二维半导体因具有无悬挂键表面、原子级厚度和高迁移率等特性，可延续晶体管微缩，实现出色的栅控和高驱动电流，提高芯片集成度和算力。全球领先的芯片研发和制造龙头公司如英特尔、台积电、三星及欧洲微电子中心（IMEC）等都是二维材料应用于集成电路芯片的主要推动者，已经布局了产业先导研究。与此同时，垂直鳍片沟道架构的新器件开发仍备受关注，业界正在考虑制造基于垂直鳍式结构开发围栅器件（GAA）、垂直围栅器件（VGAA）或垂直传输场效应晶体管（VTFET），以满足“后摩尔时代”芯片的更高集成度、更高性能和更低功耗发展要求。开发全新架构的高迁移率二维层状半导体垂直鳍片/高κ氧化物三维架构异质集成技术，构筑二维鳍式场效应晶体管（2D FinFET）等新架构器件（图1），有望突破传统硅基晶体管物理极限，具有重要意义。然而，新型高迁移率二维半导体鳍片和高κ氧化物异质结的精准制备及新架构三维异质集成等关键科学问题亟待解决。 
图1. 外延高κ栅氧化物集成型二维鳍式晶体管（2D FinFET）等新架构器件及其在未来CMOS芯片微缩中的发展潜力。
针对二维沟道材料与高κ栅介质精准合成及其三维架构异质集成这一难题，研究团队独辟蹊径，建立了绝缘基底上晶圆级二维半导体Bi₂O₂Se垂直鳍片阵列的外延生长方法。同时，利用可控氧化方法，实现了二维Bi₂O₂Se鳍片/高κ自氧化物Bi₂SeO₅异质结的外延集成（图2）。值得强调的是，二维Bi₂O₂Se表面可被逐层可控插层氧化减薄至1个单胞厚度（1.2纳米），并与高κ表面单晶氧化层Bi₂SeO₅形成原子级平整、晶格匹配的高质量半导体/介电层界面。结合微纳加工及可控刻蚀技术，精确控制二维鳍片的成核位点与生长过程，实现了单一取向的二维垂直鳍片/高κ自氧化物异质结阵列的定点和定向外延。并在此基础上实现了沟道厚度约6纳米的高性能二维鳍式晶体管（2D FinFET）的研制。新型二维半导体沟道/外延集成高κ栅介质基二维鳍式晶体管在迁移率（270 cm²/Vs）、关态电流密度（1 pA/μm）和电流开关比（10⁸）等性能指标满足业界高性能低功耗器件要求。在开态电流密度方面，相对于商用硅、锗及二维过渡金属硫化物（TMD）等材料，Bi₂O₂Se/Bi₂SeO₅二维鳍式晶体管也展现出电子学上的优势和潜力。
图2. 二维半导体鳍片/高κ氧化物异质结外延集成及高性能二维鳍式晶体管（2D FinFET）。
该项研究在国际上首次实现了一类全新架构的高迁移率二维半导体鳍片/高κ氧化物外延异质结的精准合成与集成，并研制了高性能二维鳍式场效应晶体管（2D FinFET）。解决了二维半导体/高κ氧化物精准合成与三维异质集成难题，突破了二维半导体应用于高性能低功耗芯片的关键瓶颈之一。在二维材料表界面生长控制、界面结构与性能调控、新原理器件开发、新架构器件三维异质集成、高算力低功耗集成电路芯片等领域具有开拓性意义。

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作者简介

通讯作者

彭海琳，北京大学博雅特聘教授，化学与分子工程学院副院长。

主要从事二维材料物理化学与表界面调控研究，致力于解决新型高迁移率二维材料（硒氧化铋半导体Bi₂O₂Se、石墨烯、等等）的表界面生长控制及结构与性能调控。发表SCI 收录论文260 余篇，含Science和Nature及子刊30余篇。他引逾20000次，单篇最高他引逾5000次，连续入选“科睿唯安”和“爱思唯尔”高被引学者榜单。出版中文专著两部，授权专利60余项。曾获国家杰出青年科学基金、中组部万人计划科技创新领军人才、科技部中青年科技创新领军人才、Small Young Innovator Award、国家自然科学二等奖、教育部青年科学奖、科学探索奖等荣誉。任化学与分子工程学院副院长，兼任北京石墨烯研究院（BGI）副院长、中国化学会纳米化学专业委员会委员、《Science China Materials》副主编、《科学通报》和《2D Materials》、《npj 2D Materials and Applications》、《Advanced Materials Interfaces》等学术期刊的编委或顾问编委。

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原文传递

详情请点击论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-023-05797-z

《半导体学报》简介：

《半导体学报》是中国科学院主管、中国科学院半导体研究所和中国电子学会主办的学术刊物，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年第四季直播讲座不定期举办，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：[e-mail]，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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