本報北京2月21日電（記者晉浩天）北京大學化學與分子工程學院彭海琳教授團隊與北京大學電子學院邱晨光研究員團隊合作，研制出世界首例低功耗高性能二維環柵晶體管及邏輯單元，該晶體管的速度和能效同時超越了硅基物理極限，是世界上迄今速度最快、能耗最低的晶體管。該工作有望推動芯片領域新一輪技術革新，為我國先進制程集成電路制造技術發展贏得主動。相關成果日前發表於國際學術期刊《自然·材料》。

何為二維環柵晶體管？彭海琳介紹，“二維”指二維半導體材料，“環柵”指柵極全環繞包圍半導體溝道的結構，二維環柵晶體管是未來集成電路芯片功耗縮放與性能釋放的最優解之一。然而，當前最高水平的二維環柵晶體管的性能與功耗尚不能和主流硅基晶體管相比，同時也缺乏規模化制備二維環柵晶體管異質結的手段。

彭海琳團隊運用自主研發的新型高遷移率鉍基二維半導體材料（硒氧化鉍，Bi2O2Se）及其高介電常數自然氧化物柵介質（Bi2SeO5），將其用於制作最先進的二維環柵晶體管，可謂對晶體管進行“跨代升級”。該二維半導體溝道與層狀自然氧化物柵的界面結構呈原子級平整，缺陷極少，性能穩定，能極大減少電流損耗，如同“內壁光滑的水管”，讓水流在水管內毫無阻力地高速流動。“這種材料制成的控制柵極可以做得非常薄且不漏電，在提升算力的同時還將能耗降到最低。”彭海琳說。

令人振奮的是，在相同工作條件下，他們研制的鉍基二維環柵晶體管性能已超越英特爾、台積電、三星、比利時微電子中心報道的最先進的環柵晶體管。“這一晶體管的運算速度和能效超越當前商用硅基晶體管的最佳水平。更重要的是，這是由我國科學家自主開發的材料體系。”邱晨光表示。

彭海琳告訴記者，團隊制作的二維環柵晶體管小型邏輯單元，為下一步規模邏輯器件量產積累了經驗、奠定了基礎。現階段，該晶體管可用於制造高性能傳感器和柔性電子器件，團隊也發現了其更大的潛力。“鉍基二維晶體管具有豐富的科學內涵與廣闊的應用前景，我們正開展更深入研究，隨著技術優化，該類晶體管有望實現傳感、存儲、計算一體化集成功能，這種感存算一體化將引發更具競爭力的技術革新。”

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