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超越硅极限,迄今速度最快能耗最低的二维晶体管问世

2023-04-07 16:34:17 综合报道 阅读:
近日,北京大学电子学院彭练矛院士、邱晨光研究员团队研发出10nm超短沟道弹道二维硒化铟(InSe)晶体管,这是世界上迄今速度最快、能耗最低的二维半导体晶体管,其实际性能超过Intel商用10nm节点的硅基Fin晶体管,并且将二维晶体管的工作电压降到0.5V。

近日,北京大学电子学院彭练矛院士、邱晨光研究员团队研发出10nm超短沟道弹道二维硒化铟(InSe)晶体管,这是世界上迄今速度最快、能耗最低的二维半导体晶体管,其实际性能超过Intel商用10nm节点的硅基Fin晶体管,并且将二维晶体管的工作电压降到0.5V。相关研究成果以《二维硒化铟弹道晶体管》(“Ballistic two-dimensional InSe transistors”)为题,发表于《自然》。qgFednc

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芯片为大数据和人工智能的发展提供源源不断的动力,芯片速度的提升得益于晶体管的不断微缩,然而,当前传统硅基场效应晶体管的性能逐渐接近其本征物理极限,科学界和产业界都在不断尝试利用各种二维材料,开发出更优秀的新一代芯片。qgFednc

该课题组选用二维硒化铟作为沟道材料,这种半导体材料具备远超同类材料的绝佳物理特性。例如,拥有更高的室温载流子迁移率(>2000 cm2/Vs),更小的电子有效质量(0.14me),材料本征的热速度可以更高。根据计算,其电学性能优于目前已知的几乎全部的N型半导体材料(包括传统的硅半导体)。qgFednc

据了解,该团队的研究工作主要实现了三方面的技术革新:qgFednc

  • 采用高载流子热速度(更小有效质量)的三层硒化铟作沟道,实现了新晶体管室温弹道率高达83%,远高于硅基晶体管的弹道率(低于60%),是目前场效应晶体管的最高值;
  • 解决了二维材料表面生长超薄氧化层的难题,制备出2.6nm超薄双栅氧化铪,将器件跨导提升到6 mS·μm,超过所有二维器件一个数量级;
  • 开创了掺杂诱导二维相变技术,克服了二维器件领域金半接触的国际难题,将总电阻刷新至124Ω·μm。

这项工作突破了长期以来阻碍二维电子学发展的关键科学瓶颈,将N型二维半导体晶体管的性能首次推近理论极限,率先在实验上证明出二维器件性能和功耗上优于先进硅基技术。接下来,邱晨光表示研究团队将聚焦二维电子学的几个重要研究方向进行攻关,如二维器件的P型欧姆接触、二维材料的晶圆级单晶的大面积生长与转移、二维器件的标准化集成加工工艺及其与硅基和碳基的异构集成等,从而希望加速二维材料芯片技术的发展进程。qgFednc

责编:Ricardo
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