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中國科學院院士、北京大學電子學院院長：高性能二維半導體新突破

中國科學院半導體

中國科學院院士、北京大學電子學院院長：高性能二維半導體新突破

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【中國科學院院士、北京大學電子學院院長：高性能二維半導體新突破】中國科學院院士、北京大學電子學院院長：高性能二維半導體新突破

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以二維材料為代表的新型半導體已成為業界探索下一代技術的重要方向 。

10月15日 ， 在于深圳舉辦的第三屆芯片大會上 ， 中國科學院院士、北京大學電子學院院長彭練矛分享了其團隊在高性能n型二維半導體材料與器件領域的最新研究進展 。 他分享了一項解決二維半導體關鍵技術瓶頸的方案 ， 并展示了基于該方案所制備的器件性能 ， 為后摩爾時代集成電路技術的發展引出了新的可能性 。
我們在報告中捕捉了幾個關鍵信息：

  • 長期以來 ， 巨大的接觸電阻是阻礙二維半導體材料發揮其理論性能優勢、走向實際應用的核心技術瓶頸 。
  • 彭院士團隊通過一種創新的低溫、原子級界面改性工藝 ， 構建了高效的歐姆接觸 。
  • 基于此項突破研制的n型二維晶體管在速度、功耗等核心性能上首次超越了先進硅基晶體管的極限 。
  • 團隊同時開發出配套的晶圓級材料低溫生長技術 ， 解決了規?；苽涞碾y題 。
  • 未來攻克p型器件瓶頸是實現完整二維CMOS技術的關鍵 。
報告首先回顧了集成電路的技術演進路線 ， 指出隨著硅基晶體管尺寸不斷微縮并趨近物理極限 ， 以二維材料為代表的新型半導體已成為業界探索下一代技術的重要方向 。 二維半導體在原子級別的厚度上依然能保持良好的導電特性 ， 理論上是構筑更小、更高效晶體管的理想溝道材料 。 然而 ， 將二維材料的理論優勢轉化為實際器件性能的過程中 ， 長期存在一個核心障礙 ， 即金屬電極與半導體溝道之間的接觸界面會產生巨大的接觸電阻 。 這種高電阻如同一個瓶頸 ， 阻礙了電子在電路和高性能溝道之間的順暢流動 ， 使得材料本身的優異本征特性無法被有效利用 ， 這是二維電子學通向應用的主要障礙之一 。

針對這一挑戰 ， 彭練矛院士團隊開發了一種具備原子層級精度的界面改性工藝 。 該工藝與傳統的高能離子注入等摻雜方式有本質區別 ， 其低溫、精準的特性避免了對原子級厚度的二維溝道材料造成損傷 ， 展示了與未來先進制造工藝的兼容性 。 通過對接觸區域進行精準的原子級調控 ， 該工藝將二維半導體最表層轉化為一種性質穩定的半金屬相 。 這種界面層的構建 ， 成功地改變了接觸區的電子結構 ， 消除了導致高電阻的勢壘 ， 從而實現了高效的歐姆接觸 。 報告指出 ， 該技術的應用使得二維器件的接觸電阻問題得到了解決 。
基于這一接觸工程的突破 ， 團隊制備出的n型二維晶體管在實驗中表現出性能優勢 。 在關鍵的性能評估中 ， 該器件的工作電壓、運行速度和功耗等核心指標 ， 首次在整體上超越了先進硅基器件所能達到的極限 。 同時 ， 其對短溝道效應的抑制能力也優于硅基器件 ， 這使得晶體管在持續微縮下仍能保持理想的開關特性 。 這一系列成果響應了國際半導體技術路線圖對于未來器件的性能預期 ， 實驗性地證明了二維半導體在未來構建高性能、低功耗電子器件方面的可行性與潛力 。

除了器件本身的突破 ， 報告還介紹了在材料規模化制備方面的進展 。 為配合未來產業化的需求 ， 團隊開發了一種低溫的晶圓級生長技術 ， 能夠將非晶形態的二維材料薄膜轉化為大面積、高質量的單晶薄膜 。 低溫特性尤其重要 ， 因為它意味著該技術未來有望與芯片制造的后道工序（BEOL）兼容 ， 為三維集成等更先進的芯片架構提供了可能 。 測試表明 ， 通過該方法制備的材料均勻性良好 ， 為二維器件從實驗室研究走向規模化制造解決了關鍵的材料難題 。
報告最后也指出了該領域未來的發展方向和尚存的挑戰 。 目前取得的顯著突破主要集中在n型晶體管 ， 而構成現代數字邏輯電路基礎的CMOS技術需要性能匹配的n型與p型晶體管 。 當前 ， 已有的p型二維器件在性能上與此次報告的n型器件相比仍有較大差距 。 這種差距不僅體現在器件性能上 ， 也體現在材料生長成熟度上 ， 高性能p型材料的制備往往需要更苛刻的工藝條件 。 因此 ， 攻克p型器件的綜合難題 ， 是實現二維材料構建完整CMOS電路、進而成為真正可替代硅基技術的平臺性技術的最后一道關卡 。 未來的研究重點將是提升p型器件的性能 ， 主要方向包括優化材料生長、改進缺陷控制、以及將已驗證的接觸工程技術應用于p型器件 。
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