1 工作简介

         ——首例低功耗二维环栅晶体管

北京大学彭海琳教授团队及合作者开发了世界首例低功耗二维环栅晶体管（2D GAAFET），并研制出低功耗二维环栅逻辑器件。该晶体管的性能与能效同时超过了传统硅基晶体管的物理极限，是世界上迄今速度最快、能耗最低的晶体管。该原创性工作突破了后摩尔时代高速低功耗芯片的二维新材料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“Low-power 2D gate-all-around logics via epitaxial monolithic 3D integration”为题，发表于《自然·材料》杂志（Nature Materials 2025, 24, 519）。

集成电路是信息时代重要的技术基础，也是国家战略竞争力的重要标志。先进制程集成电路制造作为半导体工业技术的“明珠”，对带动人工智能（AI）、云计算、大数据、5G通信等新兴信息技术发展和产业增长发挥着关键作用，对以实现数据的高速处理和传输、信息安全等功能为基础的国家信息化、数字化发展提供关键支撑。先进制程集成电路制造已成为全球半导体产业的“兵家必争之地”，推动了科技领域的快速发展。功耗约束下的器件尺寸微缩和集成密度提升始终是先进制程集成电路技术发展和演进的核心。随着大规模集成电路 (VLSI）技术的持续发展，来自短沟效应、量子隧穿以及寄生效应等问题的挑战，使得以传统硅基半导体/氧化物（如Si/SiO₂、Si/HfO₂）为核心的互补金属氧化物半导体（CMOS）器件技术难以通过尺寸的持续微缩维持芯片迭代的需求。能耗上升和算力不足等问题成为延续摩尔定律的最大瓶颈。探索“后摩尔时代”器件新原理、新材料、新工艺和新架构，实现更高密度、更低功耗、更高算力的芯片设计与制造，成为推动传统集成电路芯片变革的关键。

材料与架构的创新催生了集成电路在性能、密度和功耗方面的新突破。集成电路技术发展的近30年里，硅基CMOS器件在“摩尔定律”的驱使下不断微缩，器件架构逐渐从平面器件发展到鳍式场效应晶体管（FinFET）器件以增强栅极对通道的控制能力。依靠新材料和新结构的发展，FinFET器件技术融合铜金属互联技术、应力硅技术、高k金属栅（high-k metal gate，HKMG）工艺技术，助力摩尔定律持续向前发展，从22 nm技术节点发展到当前的3 nm技术节点。但是，在3 nm节点以下，传统硅基FinFET的栅极对沟道的控制能力减弱，导致漏电流增加和功耗上升，FinFET技术发展将面临物理极限与工艺难度挑战，无法持续微缩。应对这一挑战，一种硅基纳米片沟道被栅极四面全环绕包围的环栅晶体管（GAAFET）新架构器件技术应运而生。GAAFET将显著抑制短沟道效应，进一步增强栅极对沟道电流的控制，降低漏电，具有更高的速度和更低的功耗。随着先进工艺节点持续推进，国际半导体产业界已明确2 nm以后晶体管技术将由当前的鳍式晶体管（FinFET）转向更先进的纳米片环栅晶体管（GAAFET）制程技术。

技术节点进入埃米世代，二维（2D）半导体因其具有表面无悬挂键、原子级均匀厚度和高迁移率等特性，可突破传统硅基晶体管本征物理极限（极限栅长将停止在12 nm，工作电压不能小于0.6 V），实现更短的栅长、出色的栅控、高驱动电流、单片三维（M3D）集成，可作为“后硅材料”延续CMOS器件微缩，提高芯片集成度、算力和能效。为此，全球众多知名半导体公司和研究机构，如英特尔（Intel）、台积电（TSMC）、以及欧洲微电子中心（IMEC）等，都在致力于二维环栅晶体管（2D GAAFET）的研发。然而，2D GAAFET的器件制造面临源漏接触、栅介质材料及界面等多重挑战，性能仍无法与业界硅基晶体管相媲美。低功耗、高性能的2D GAAFET器件制造更是需要解决二维沟道/全环绕超薄栅介质的原子级尺寸控制和界面结构精确调控的世界难题。新型高迁移率二维半导体沟道和高k氧化物环栅异质结的精准制备及三维异质集成等关键科学问题（图1），已成为各国半导体技术竞争的国际焦点。

北京大学彭海琳教授团队致力于将高迁移率二维铋基半导体与全环绕高k超薄栅介质精准集成并极限微缩成三维新架构——二维环栅晶体管。团队基于独创的二维铋基半导体可控插层氧化方法，设计并制备了高质量的二维铋基半导体/环栅外延异质结，研制的二维环栅晶体管具有很高的界面质量和栅控能力，表现出高的迁移率（> 280 cm²/(V·s)）、低界面缺陷密度（~2×10¹¹ cm^-2 eV^-1）、高电流开关比（10⁸）和近热力学极限亚阈值摆幅（＜62 mV/dec）等性能，满足业界高性能低功耗器件要求（图2）。

进而，研究团队与合作者结合先进微纳加工技术和界面调控手段，成功构筑具有30 nm栅长的短沟道二维环栅晶体管（图3）。该二维铋基环栅晶体管具有原子级平整界面和超薄的0.27 nm等效氧化物厚度（EOT），在0.5 V的超低工作电压（V_DD）下展现超高开态电流密度（> 1 mA/μm）、低本征延迟（Delay, 1.9 ps）及低能量延迟积（EDP，1.84 × 10⁻²⁷ Js/μm）。在相同工作条件下，二维铋基环栅晶体管的性能超越英特尔（Intel）、台积电（TSMC）、比利时微电子中心（IMEC）报道的最先进环栅晶体管；其运算速度和能效同时超越当前商用硅基晶体管的最佳水平。研究团队报道的二维环栅晶体管满足国际器件和系统路线图（IRDS）对埃米节点的算力与功耗要求，是迄今为止速度最快、功耗最低的晶体管。研究团队还基于上述环栅晶体管构筑了非门（NOT）、与非门（NAND）和或非门（NOR）等一系列逻辑单元器件，均可在超低功耗下实现其逻辑功能。

图3. 二维铋基环栅晶体管的电学性质。二维铋基环栅异晶体管的示意图（a），扫描电镜图（b，c），截面透射电镜图（d）和元素分析（e）；晶体管的输出（f）和转移（g）特性及性能（h, i）与能效（j）的客观对标。

该项研究在国际上首次实现了高迁移率二维半导体/全环绕高k氧化物外延异质结的精准合成与单片三维集成，并面向亚3 nm节点研制了低功耗、高性能二维环栅晶体管（2D GAAFET）及逻辑单元。该原创性工作解决了后摩尔时代高速低功耗芯片的二维新材料精准合成与新架构三维异质集成难题，突破了阻碍二维电子学发展的关键科学瓶颈，首次验证了二维环栅器件的性能和能耗上优于先进硅基技术，为开发未来高性能芯片技术提供了全新的思路。

该突破工作被Nature Materials、Science China Materials等期刊进行了亮点报道，全球最大芯片研发机构IMEC首席科学家Dennis Lin在Nature Materials发表题为“寻找二维杀手锏”专题评论指出：该工作实现了二维环栅器件的“巨大进展”，提供了实现超越硅的高能效单片三维集成电路的可能。与此同时，工作还被被《光明日报》《人民日报》《澎湃新闻》《新华日报》《中华网》《新浪科技》《新京报》《南华早报-海外版》以及葡萄牙《创新技术新闻室》、西班牙《生态创新》、葡萄牙《Adrenaline》、美国《interesting engineering》、美国《雅虎网》等媒体报道；被Nature Electronics、Nature Communications等期刊正面引用。北京大学化学与分子工程学院彭海琳教授、电子学院邱晨光长聘副教授、化学与分子工程学院谭聪伟副研究员为该论文的共同通讯作者；北京大学化学与分子工程学院博士研究生唐浚川、电子学院博士生姜建峰（现为北京大学电子学院研究员）、化学与分子工程学院博士研究生高啸寅和博雅博士后高欣为文章的共同第一作者。该工作的其他主要合作者还包括深圳理工大学丁峰教授、北京大学电子学院彭练矛教授等。

2 主要作者简介

通讯作者

彭海琳，北京大学博雅特聘教授。

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290余篇，含Science和Nature及子刊40余篇。他引逾30000次，单篇最高他引逾6000次，连续入选“科睿唯安”和“爱思唯尔”高被引学者榜单，研究成果获中国半导体十大研究进展、中国芯片科学十大进展。出版中文专著三部，授权专利70余项。曾获国家杰出青年科学基金、教育部科学研究优秀成果奖（自然科学和工程技术）一等奖、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、新基石研究员等荣誉。任化学与分子工程学院院长、北京大学纳米科技中心主任、九三学社北京大学主委、九三学社北京市委科技委主任。

通讯作者

邱晨光，北京大学电子学院长聘副教授。

面向亚1 nm节点后摩尔芯片技术的国家重大战略需求，聚焦研究高迁移率低维电子器件。以第一作者或者通讯作者身份在 Science（3篇）, Nature（1篇）、Nature Electronics、Nature Materials、IEDM等发表论文。成果入选“中国十大科技进展新闻”（中国科学院和工程院评，2023），两次入选“中国高等学校十大科技进展”（2017，2023），入选“国家重点研发计划十三五重大标志性成果”（科技部），两次入选“中国重大科学、技术和工程进展”，入选“中国半导体十大研究进展”、“中国芯片科学十大进展”、中国百篇高影响国际学术论文、全国科创中心重大标志性原创成果等。

通讯作者

谭聪伟，北京大学化学与分子工程学院副研究员。

主要从事高迁移二维半导体材料物理化学与表界面调控研究。迄今发表SCI论文50余篇，以共同通讯作者、第一作者或共同一作身份在Nature、Nature Materials、Nature Nanotechnology等发表论文20余篇，代表性研究成果入选“2023年度中国半导体十大研究进展”、“中国芯片科学十大进展”。曾获2025年国家自然基金委面上项目、2022年国家自然基金委青年科学基金等多项荣誉。

3 原文传递

https://www.nature.com/articles/s41563-025-02117-w