作者：二馬路的冰
排版：Violette
出品：SOlab
深度好文，2240字=7分鐘閱讀
《Cell》（細胞）、《Nature》（自然）和《Science》（科學）三本雜志號稱三個世界頂級學術刊物，簡稱為CNS，是科研工作者的最愛，我國每年公布的世界十大科技新聞大多來源于CNS。
其中，《Nature》雜志創(chuàng)刊于1869年，由Springer Nature出版社出版。150多年以來，《Nature》雜志為卓越研究指引方向，內(nèi)容涵蓋了自然科學各個研究領域，尤其在生物學、醫(yī)學、物理學等領域的卓有成就?！禢ature》雜志報道和評論各學科領域最新的研究成果和最重要的突破，為科學探索和論道提供平臺，也是熱門科學新聞的來源。
2023年3月23日，《Nature》雜志發(fā)表了北京大學三項成果。包括生命科學學院的《FcμR受體對免疫球蛋白IgM的識別》，化學與分子工程學院的《外延高k柵氧化物集成型二維鰭式晶體管》（2D Fin field-effect transistors integrated with epitaxial high-k gate oxide）和電子學院的《二維硒化銦彈道晶體管》（Ballistic two-dimensional InSe transistors）。其中后兩項成果是超越硅基芯片極限問題的突破。
北大在《Nature》雜志上演“帽子戲法”，圖源：北京大學
當前，芯片制程已經(jīng)進入3nm技術節(jié)點。中國臺積電公司和韓國三星電子公司都于2022年宣布3nm芯片實現(xiàn)量產(chǎn)。學術界和工業(yè)界都在展望1nm及以下芯片的美好發(fā)展前景。晶體管是芯片的最核心、最基礎的單元（沒有之一），通過新一代材料、新一代裝備、新一代器件、新一代工藝、新一代架構等創(chuàng)新方式，芯片的集成度得以不斷提高，進而不斷提升能效和算力。
但是，當前的硅基芯片尺寸微縮正在逼近硅基材料物理極限，短溝道效應和熱效應日趨顯著，新一代材料的探索與研究迫在眉睫。抑制短溝道效應，降低亞閾值漏電流，突破芯片算力、能效和集成瓶頸，日益成為各國芯片研究者關注的熱點。
以下是北京大學的兩大芯片重大研究成果簡介。
?成果1、全球首例外延高κ柵介質集成型二維鰭式晶體管
二維新材料精準合成與新架構集成是后摩爾時代高速低功耗芯片的技術瓶頸。針對全新三維架構中二維溝道材料與介電質集成這一科學難題和實際應用需求，北京大學研究者獨辟蹊徑，報道了世界首例二維半導體鰭片/高κ柵氧化物異質結陣列的外延生長及其三維架構的集成制備，基于自主研發(fā)的新型二維鉍基材料體系，實現(xiàn)了自支撐高遷移率二維半導體Bi2O2Se垂直鰭片的精準合成。合可控氧化手段，實現(xiàn)了晶圓級二維Bi2O2Se垂直鰭片/高κ自氧化物Bi2SeO5的異質集成。
成果1論文，圖源：《Nature》雜志
北京大學研究者研制了高性能二維鰭式場效應晶體管（2D FinFET）。演示了Bi2O2Se/Bi2SeO5二維鰭式晶體管電子學上的優(yōu)勢和潛力。該原創(chuàng)性工作突破了后摩爾時代高速低功耗芯片的關鍵新材料與新架構三維異質集成瓶頸，為開發(fā)突破硅基晶體管極限的未來芯片技術帶來新機遇。
高κ柵氧化物集成型二維鰭式晶體管（2DFinFET）示意圖，圖源：北京大學
?成果2、迄今世界速度最快、能耗最低的二維半導體晶體管
當前傳統(tǒng)硅基場效應晶體管的性能逐漸接近其本征物理極限。二維(2D)材料憑借其原子級厚度與平整度、優(yōu)異的電學性能，被認為是支持進一步小型化和集成電子的潛在材料。
但是，迄今為止，所有二維晶體管所實現(xiàn)的性能均不能媲美業(yè)界先進硅基晶體管，其實驗結果遠落后于理論預測。
成果2論文，圖源：《Nature》雜志
國際器件與系統(tǒng)路線圖(IRDS)預測，對于硅基金屬氧化物半導體(MOS)場效應晶體管(FETs)，柵極長度的縮放將停止在12nm，最終電源電壓將不會下降到小于0.6 V。這要求了硅基芯片在縮放過程結束時的最終集成密度和功耗。
基于具有原子尺度厚度的高遷移率的硒化銦(InSe)材料，北京大學研究者首次使得二維晶體管實際性能超過Intel商用10納米節(jié)點的硅基Fin晶體管，并且將二維晶體管的工作電壓降到0.5V，這也是世界上迄今速度最快能耗最低的二維半導體晶體管。
北京大學研究者這項工作突破了長期以來阻礙二維電子學發(fā)展的關鍵科學瓶頸，將n型二維半導體晶體管的性能首次推近理論極限，率先在實驗上證明出二維器件性能和功耗上優(yōu)于先進硅基技術，為推動二維半導體技術的發(fā)展提供了嶄新的機遇。
彈道二維硒化銦晶體管與先進節(jié)點硅基晶體管的比較，圖源：北京大學
北大芯片研究者的不懈努力
根據(jù)北京大學的宣傳材料，近年來，我國“芯片荒”這一“老大難”問題屢屢成為焦點。為了讓“卡脖子”的手松一點，北大人一直在這條荊棘叢生的道路上砥礪前行，力求為我國集成電路技術的迭代升級事業(yè)添磚加瓦。
根據(jù)北京大學的宣傳材料，每一篇文章的背后，都凝縮了團隊每一位成員的心血，是數(shù)十名北大人歷經(jīng)無數(shù)失敗與徹夜難眠后，結出的那顆最耀眼的結晶。北大是常為新的。一篇篇研究成果即是一個個清晰見證，訴說著北大人推動科學的發(fā)展、謀求人類的進步的初心與使命。
兩項成果采用的國外材料、設備及軟件
根據(jù)《Nature》雜志上成果1公開論文：Bi2O3和Bi2Se3材料來自阿法埃莎 (Alfa Aesar，美國賽默飛世爾科技公司旗下企業(yè))。光刻膠來自德國的Allresist EN，激光光刻裝置來自德國Heidelberg儀器公司。UV臭氧發(fā)生器來自美國Novascan 公司，掃描電鏡來自日本Hitachi，原子力顯微鏡來自美國 Bruker公司，聚焦離子束來自美國賽默飛，半導體分析儀來自美國Keithley，磁控濺射儀來自日本ULVAC，模擬軟件采用維也納大學Hafner小組開發(fā)的進行電子結構計算和量子力學-分子動力學模擬軟件包。
?成果1、其余的材料、設備及軟件沒有公布。
根據(jù)《Nature》雜志上成果2公開論文：原子層沉積設備來自采用的是芬蘭Beneq公司，電子束光刻設備采用的是德國Raith，掃描電鏡來自德國蔡司，原子力顯微鏡來自美國Veeco，透射電鏡來自日本JEOL，半導體分析儀來自美國Keithley，真空低溫探針臺來自美國Lake Shore。
?成果2、其余的材料、設備及軟件沒有公布。
可以看到,北京大學這兩項重大成果的突破主要是基于西方國家的材料、設備和軟件獲取的。國內(nèi)的芯片材料、設備和軟件供應商仍然任重道遠。