—— 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Bi2 O2 Se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Bi2 O2 Se鳍片/高κ自氧化物Bi2 SeO5 异质结的外延集成（图2）。值得强调的是，二维Bi 2 O 2 Se 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Bi2 SeO5 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 c m2 /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，B i 2 O 2 Se /Bi2 SeO5 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。
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Bi2 O2 Se、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、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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