面向未来芯片超越硅基极限

随着人工智能的浪潮席卷全球，芯片作为信息产业的物质基础，驱动着数字时代的无限可能。无论是现代人一刻无法离身的智能手机，还是曙光初露的自动驾驶汽车产业，又或是承载了人类梦想的载人飞船，芯片的身影无处不在。

半个世纪以来，硅一直主导着集成电路产业，硅基芯片的发展也让“摩尔定律”不断延续——每隔18个月至两年，集成电路上的晶体管密度就会翻一番。晶体管密度越高，芯片的性能就越高；而在性能提升的同时，芯片成本也会随之降低。

想要提高芯片元器件的集成度，晶体管的小型化有着决定性的作用。如今，硅晶体管进入了亚10纳米的技术节点，接近其理论上的物理极限，摩尔定律面临失效风险。寻找新型材料延续摩尔定律，进一步把芯片变得更小，成为全球科学家们的当务之急。

针对这一问题，北京大学物理学院吕劲研究员团队牵头完成了“二维晶体管理论”项目，荣获2021年度北京市科学技术奖自然科学奖二等奖。有别于传统芯片制造采用的块状材料，该项目聚焦超薄二维材料，为二维半导体晶体管的材料选取和性能评估提供了指导。其理论不仅为未来芯片的发展指明了一个新的方向，更引导激励着科学家们超越硅基极限，开启芯片科技的新篇章。

芯片上建“摩天大楼”,应选什么“砖”?

制作芯片的过程很像建筑“摩天大楼”,需要在有限空间内盖出多层的“楼房”。目前，单块芯片上晶体管的集成度已经可以达到几十亿，极紫外线光刻机现在可以在硅片上打印出尺寸与人类染色体直径相仿的晶体管。如果想将其进一步变得更小，使用更“微缩”的建筑材料或许是最好的选择。

此前，芯片制造产业需要使用到立体的块状材料，经过多轮打磨和堆叠，最终得到纳米级别晶体管组成的芯片。但伴随着晶体管尺寸的不断缩小，也出现了电子迁移率降低、漏电流增大、隧穿电流增大、功耗增加等一系列问题。

2004年，由单层碳原子构成的二维结构材料“石墨烯”问世，引起了科学界的轰动。具有原子级别的超薄厚度，导电性、机械性能和光学性质也更加出色的二维半导体材料，成为最有希望替代硅建造“摩天大楼”的新选择。

遗憾的是，石墨烯虽然拥有更高的载流子迁移率，但它本身不具备“能隙”(电子携带电流之前，必须跃过的“能量跨栏”),因此并不是理想的半导体材料。想要做出高迁移率、高开关比的晶体管，首先要解决的就是找出“人造能隙”的方法。

面对这一棘手挑战，吕劲团队进行了创新性探索，选取了与石墨烯同为狄拉克材料的硅烯和锗烯(两者同样具有较高的载流子迁移率，但能隙为零)开展研究。硅烯是单质硅最薄的形式，仅有一个硅原子的厚度。锗烯则由单层锗原子组成，是首个单元素组成的二维拓扑绝缘体。

想要打开一个可控能隙，施加电场是实验中常用的调控手段。2012年，吕劲团队发现，外加的垂直电场可以破坏硅烯和锗烯上下子格子的反演对称，从而打开能隙，且打开的能隙会随电场强度线性增加，并保持高的载流子迁移率[图1(a)]。

随后，吕劲团队通过结合非平衡格林函数方法和密度泛函理论的“第一性原理量子输运”模拟，采取原理器件仿真的方式，首次论证了硅烯场效应晶体管原理器件具有电流开关效应，开关比是无电场时的8至50倍[图1(b)]。第一性原理量子输运方法是一种用于研究材料电子输运行为的最精确的计算方法，在该方法中，基本的量子力学原理(如薛定谔方程)被用于描述非平衡条件下电子在材料中的运动和相互作用。

上述成果发表于国际高水平期刊《纳米快报》,目前仍是二维晶体管的第一性原理量子输运模拟论文中被引用数最高的论文。

吕劲团队认为，狄拉克材料硅烯和锗烯很有可能就是未来最适合建“摩天大楼”的“砖块”,其中硅烯材料更被寄予了厚望，因为目前硅基晶体管已经是半导体行业的主流晶体管。

利用垂直电场调控硅烯和锗烯能隙的观点，引发了业界巨大关注，也推动了硅烯科学的发展。2015年，硅烯的最早发现者之一、意大利国家研究委员会微电子与微系统研究所的AlessandroMolle高级研究员与美国得克萨斯大学奥斯汀分校的DejiAkinwande教授等，首次在实验室制备出硅烯晶体管[图1(c)],吕劲团队的研究成果被列为该项研究的动机之一。硅烯晶体管的合成被美国化学学会C&EN网评选为2015年11项最受瞩目的化学成果之一，并被美国Discovery杂志评为2015年100项最受瞩目的科学成就的之一(33位)。

除了人造能隙的方案，自然界还有些“砖块”的能隙本来就较大。在拓扑晶体管和拓扑绝缘体研究中，吕劲团队又瞄准了另一个重要方向——寻找大体能隙材料。

2014年，吕劲团队首次发现，在不考虑自旋轨道耦合的情况下，单层铋烷和锑烷与硅烯一样是零能隙的狄拉克材料，虽然自旋轨道耦合可以打开体能隙，但其边缘态仍然维持狄拉克锥导电结构。作为第三代拓扑绝缘体，铋烷和锑烷的体能隙超过1伏特，是当时拓扑绝缘体体能隙的最大值。

最大能隙拓扑绝缘体铋烷和锑烷的发现，为室温拓扑晶体管的实现奠定了坚实的基础。该成果当年发表于国际学术期刊《自然》的子刊《NPG亚洲材料》。

图1理论预测的硅烯晶体管已得到实验证实

(a)能带计算显示垂直电场打开硅烯的能隙；(b)模拟的硅烯双门晶体管；(c)实验的硅烯晶体管和转移曲线

遨游二维材料之“海”,“指针”如何导航?

相比硅烯和锗烯等狄拉克材料，二维本征半导体的优势在于无需人工调控能隙，本身就是非常理想的晶体管材料。但是放眼千余种二维材料，哪种材料最适合产业需要呢?

由于制备“微缩砖块”(即亚10纳米的二维半导体晶体管)在实验上极其困难，想要找到可以替代硅的未来晶体管材料，就迫切需要可靠的理论作为“指南针”,对各种二维材料的晶体管性能进行精准评估，进而为未来芯片设计提供依据。

2000年诺贝尔物理学奖得主赫伯特·克勒默曾指出：“界面即器件。”尽管二维材料晶体管有很好的器件性能，但实际构造出的二维材料晶体管往往达不到理论预期。吕劲团队认为，影响二维半导体晶体管性能的，除了材质本身，处于界面上的“肖特基势垒”(SchottkyBarrier)也不容忽视，需要进行准确的理论评估，并建立范式。如同二极管具有整流特性，肖特基势垒指的是金属-半导体边界上形成的具有整流作用的区域。

由于先前常用的二维晶体管肖特基势垒计算方法，均没有考虑电极与沟道材料在水平方向强烈耦合带来的金属诱导界面态以及由此引起的费米能钉扎效应，可能低估了水平肖特基势垒高度带来的不利影响——当半导体表面存在垂直的外加电场时，半导体内部各处的静电势不同，承载电子运动的能带相应地发生弯曲(称为“能带弯曲”)。如果半导体界面中出现了费米能钉扎效应的话，其表面能带弯曲的情况将变得复杂。

为此，吕劲团队率先用无参数的原子层级第一性原理量子输运方法，充分考虑电极与沟道的耦合。通过计算晶体管的空间能带图，吕劲团队发现：金属诱导的能隙态普遍存在于二维晶体管与金属的水平界面，从而导致费米能钉扎。

通过使用该模式，吕劲团队对一系列二维半导体(包括磷烯、过渡金属硫化物MX₂、V族烯、VI族烯、GaN、InSe等)与金属电极在晶体管结构下界面性质进行研究，修正了先前的功函数近似理论低估的水平肖特基势垒高度。

随后，在以二维半导体晶体管肖特基势垒的研究范式指导下，吕劲团队参照国际半导体技术发展蓝图(ITRS)标准，对一系列典型的二维本征半导体晶体管性能进行了评估，论证它们具有延续摩尔定律到亚10纳米的能力。

这一系列重要研究成果，大部分为国际首创，被《自然》及其子刊、《科学》、《现代物理评论》等著名学术期刊引用评述，研究范式得到了广泛应用，为科学家们选取更优化的二维本征晶体管电极提供了指导。

石墨烯的同位素异形体“石墨炔”,被预测是一种高迁移率的二维半导体。2010年，中国科学院化学所的李玉良研究员团队率先合成石墨炔后，吕劲团队对石墨炔的本征性质进行计算，确认了石墨炔准粒子能带和激子峰分别高达1.1伏特和0.55伏特。这一结果与李玉良团队测量出的石墨炔在红外和紫外的吸收谱结果相符，从而为石墨炔的快速发展提供了基础。

2015年，吕劲团队对以铝作为电极的10纳米栅长单层石墨炔晶体管做了第一性原理量子输运模拟，发现其开态电流大大超过硅基晶体管。至此，石墨炔晶体管实验上已经被制备出来。

为超越硅基极限，“预言”更多可能性

近年来，我国科学家围绕二维材料，在晶体管制备领域有了许多重大突破。“二维晶体管理论”这项极具前瞻性的基础研究工作，也为超越硅基极限的未来芯片架构注入了全新活力。

吕劲团队发展了用无参数的原子层级第一性原理量子输运方法按ITRS标准评估二维本征半导体晶体管性能的范式。论证了亚10纳米栅长的典型的二维本征半导体晶体管性能可比拟甚至超越硅基晶体管。他们发现半导体二硫化钼场效应管在亚10纳米尺寸下，仍然能保持可观的开关性能，并且具有傲视其他材料的超低亚阈值摇摆。这一发现很快被美国加州大学伯克利团队发表在《科学》上的实验工作所证实。

2022年，南京大学王欣然课题组制备出2英寸的二硫化钼单晶，揭示了二维极限下有机材料的新物理性质，构筑了高性能场效应管及利用二硫化钼TFT驱动的光电器件等多种原型器件。2022年，清华大学田禾课题组又以单层石墨烯作为栅极，开发了世界上栅长最小的晶体管，推动摩尔定律发展到亚1纳米级别，为二维薄膜在集成电路上的未来应用提供参考依据，目前吕劲团队正和田禾团队合作，探索亚1纳米晶体管的性能极限。

2023年，北京大学电子学院彭练矛—邱晨光团队研发出弹道二维硒化铟晶体管，制出世界上迄今速度最快、能耗最低的二维半导体晶体管，其实际性能已经可与英特尔最先进的商用硅基晶体管媲美，部分性能如跨导、弹道率等甚至超过硅基晶体管，未来有望打造出兼具高性能和低功耗特性的芯片。相关研究已发表于《自然》,多位国际审稿人认为，这项研究是二维电子器件研究的重要里程碑。

上述这项工作，也验证了吕劲团队对二维硒化铟材料的“预言”——早在2018年，吕劲团队通过对单层硒化铟晶体管的器件表现性能进行系统模拟，已经“预测”了二维硒化铟晶体管的性能超过硅基晶体管。尤其是理论预测的开电流(1497μA/μm)与实验的(1430μA/μm)测量高度吻合(图2)。

“只有持续深耕作为自主创新之源的基础研究，才能站上科技和社会发展战略意义的制高点。我们的使命不仅是服务于今天，更要引领未来，创造新的需求和发展优势。”团队负责人表示。

当前，我国芯片领域长期受制于人，“二维晶体管理论”无疑在“后摩尔定律时代”抢下了一步“先手棋”,开辟了一条我国“领跑”的赛道，为发展未来高集成度的芯片技术铺路搭桥，引领着我们驶向更加辉煌的数字时代。

图2理论预测和实验的二维硒化铟晶体管的转移曲线

来源: 北京科技报社

内容资源由项目单位提供