**北大團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)芯片領(lǐng)域重要突破：新型二維半導(dǎo)體材料有望破解摩爾定律瓶頸**
【北京，2024年6月15日】—— 在全球半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)面臨物理極限與技術(shù)瓶頸的關(guān)鍵時(shí)刻，北京大學(xué)集成電路學(xué)院研究團(tuán)隊(duì)近日宣布在芯片基礎(chǔ)材料領(lǐng)域取得重大突破。該團(tuán)隊(duì)成功開發(fā)出一種基于二維過(guò)渡金屬硫族化合物（TMDs）的高性能晶體管器件，并在國(guó)際頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊《自然·電子學(xué)》（Nature Electronics）上發(fā)表相關(guān)成果。這一進(jìn)展被業(yè)內(nèi)專家視為有望突破傳統(tǒng)硅基芯片性能極限、延續(xù)摩爾定律的重要一步。
長(zhǎng)期以來(lái)，摩爾定律——即集成電路上可容納的晶體管數(shù)量每18至24個(gè)月翻一番——被視為推動(dòng)信息技術(shù)革命的核心驅(qū)動(dòng)力。然而，隨著晶體管尺寸逼近1納米物理極限，傳統(tǒng)硅基材料在功耗、散熱和量子隧穿效應(yīng)等方面遭遇嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。業(yè)界普遍認(rèn)為，若無(wú)法在新材料或新架構(gòu)上取得突破，摩爾定律或?qū)⒆呦蚪K結(jié)。在此背景下，尋找可替代硅的新型半導(dǎo)體材料成為全球科研競(jìng)爭(zhēng)的焦點(diǎn)。
北京大學(xué)集成電路學(xué)院院長(zhǎng)、國(guó)家杰出青年科學(xué)基金獲得者黃如院士領(lǐng)銜的研究團(tuán)隊(duì)，聚焦于二維材料這一前沿方向，經(jīng)過(guò)近五年系統(tǒng)性攻關(guān)，成功解決了二維半導(dǎo)體在實(shí)際芯片應(yīng)用中的多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)難題。團(tuán)隊(duì)首次實(shí)現(xiàn)了基于單層二硫化鉬（MoS?）的高遷移率、低接觸電阻晶體管，并在300毫米晶圓級(jí)上完成工藝集成驗(yàn)證，展現(xiàn)出優(yōu)異的電學(xué)性能與可擴(kuò)展性。
“我們最大的突破在于解決了二維材料與金屬電極之間的‘肖特基勢(shì)壘’問(wèn)題，”項(xiàng)目核心成員、北大微納電子學(xué)系副教授李明博士在接受本報(bào)專訪時(shí)表示，“傳統(tǒng)方法中，二維材料與金屬接觸時(shí)會(huì)產(chǎn)生高阻界面，嚴(yán)重限制載流子注入效率。我們通過(guò)原子級(jí)精準(zhǔn)調(diào)控界面化學(xué)態(tài)，引入新型合金接觸結(jié)構(gòu)，將接觸電阻降低至每微米100歐姆以下，接近甚至優(yōu)于先進(jìn)硅基FinFET器件的水平。”
據(jù)論文數(shù)據(jù)顯示，該團(tuán)隊(duì)研制的MoS?晶體管在柵長(zhǎng)僅為20納米的條件下，開關(guān)比超過(guò)10?，亞閾值擺幅接近理論極限（60 mV/dec），且在室溫下展現(xiàn)出高達(dá)85 cm²/V·s的電子遷移率——這一數(shù)值遠(yuǎn)超此前同類二維器件的記錄，已接近部分體硅材料的性能。更關(guān)鍵的是，該工藝兼容現(xiàn)有CMOS制造流程，為未來(lái)大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化鋪平了道路。
此次突破不僅具有理論意義，更具備明確的產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)化前景。當(dāng)前，全球半導(dǎo)體巨頭如英特爾、臺(tái)積電、三星等均在積極布局二維材料研發(fā)。2023年，美國(guó)《芯片與科學(xué)法案》特別將“后硅時(shí)代材料”列為國(guó)家戰(zhàn)略重點(diǎn)。而中國(guó)“十四五”規(guī)劃亦明確提出要加快關(guān)鍵核心技術(shù)攻關(guān)，突破高端芯片“卡脖子”環(huán)節(jié)。北大團(tuán)隊(duì)的成果恰逢其時(shí)，為我國(guó)在下一代半導(dǎo)體技術(shù)賽道上爭(zhēng)取戰(zhàn)略主動(dòng)提供了重要支撐。
值得注意的是，該研究并非孤立的技術(shù)展示，而是依托于北京大學(xué)牽頭建設(shè)的“國(guó)家集成電路產(chǎn)教融合創(chuàng)新平臺(tái)”。該平臺(tái)整合了中芯國(guó)際、華為、長(zhǎng)江存儲(chǔ)等產(chǎn)業(yè)鏈上下游企業(yè)資源，形成了從基礎(chǔ)研究到中試驗(yàn)證的完整創(chuàng)新鏈條。據(jù)悉，團(tuán)隊(duì)已與國(guó)內(nèi)某頭部晶圓廠合作，啟動(dòng)基于該技術(shù)的原型芯片流片工作，預(yù)計(jì)在未來(lái)18個(gè)月內(nèi)完成功能驗(yàn)證。
業(yè)內(nèi)專家對(duì)此給予高度評(píng)價(jià)。中國(guó)科學(xué)院院士、半導(dǎo)體物理學(xué)家劉明指出：“北大這項(xiàng)工作在材料、器件和工藝三個(gè)層面實(shí)現(xiàn)了協(xié)同創(chuàng)新，尤其在晶圓級(jí)集成方面邁出實(shí)質(zhì)性步伐。這標(biāo)志著我國(guó)在二維半導(dǎo)體領(lǐng)域已從‘跟跑’轉(zhuǎn)向‘并跑’甚至局部‘領(lǐng)跑’。”
然而，挑戰(zhàn)依然存在。二維材料的大面積均勻生長(zhǎng)、缺陷控制、長(zhǎng)期可靠性等問(wèn)題仍需進(jìn)一步攻克。此外，從實(shí)驗(yàn)室原型到量產(chǎn)芯片，還需經(jīng)歷嚴(yán)苛的良率提升與成本優(yōu)化過(guò)程。對(duì)此，黃如院士表示：“我們清醒認(rèn)識(shí)到，基礎(chǔ)研究只是萬(wàn)里長(zhǎng)征第一步。下一步，團(tuán)隊(duì)將聯(lián)合產(chǎn)業(yè)界，聚焦工程化落地，力爭(zhēng)在5年內(nèi)推動(dòng)該技術(shù)進(jìn)入特定應(yīng)用場(chǎng)景，如低功耗物聯(lián)網(wǎng)芯片或高頻射頻前端。”
在全球科技競(jìng)爭(zhēng)日益激烈的背景下，芯片作為現(xiàn)代工業(yè)的“糧食”，其自主可控關(guān)乎國(guó)家安全與經(jīng)濟(jì)發(fā)展。近年來(lái)，我國(guó)在芯片設(shè)計(jì)、制造裝備等領(lǐng)域持續(xù)投入，但在基礎(chǔ)材料層面仍存在短板。北大此次突破，不僅為延續(xù)摩爾定律提供新路徑，更彰顯了原始創(chuàng)新在解決“卡脖子”問(wèn)題中的核心作用。
分析人士認(rèn)為，若該技術(shù)順利產(chǎn)業(yè)化，有望在人工智能邊緣計(jì)算、6G通信、可穿戴設(shè)備等對(duì)能效比要求極高的新興領(lǐng)域率先應(yīng)用。相較于傳統(tǒng)硅基芯片，基于二維材料的器件可在更低電壓下運(yùn)行，顯著降低功耗，同時(shí)因材料厚度僅原子級(jí)別，可實(shí)現(xiàn)更高密度的三維堆疊集成，為算力提升開辟新維度。
目前，北大團(tuán)隊(duì)已就相關(guān)技術(shù)申請(qǐng)多項(xiàng)國(guó)內(nèi)外發(fā)明專利，并正與國(guó)際同行開展合作交流。黃如院士強(qiáng)調(diào)：“科學(xué)無(wú)國(guó)界，但技術(shù)有主權(quán)。我們?cè)敢蚤_放姿態(tài)參與全球創(chuàng)新網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)堅(jiān)定走自主創(chuàng)新之路，為中國(guó)乃至全球半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展貢獻(xiàn)力量。”