作者：二馬路的冰
排版：Violette
出品：SOlab
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《Cell》（細(xì)胞）、《Nature》（自然）和《Science》（科學(xué)）三本雜志號(hào)稱三個(gè)世界頂級(jí)學(xué)術(shù)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(xué)各個(gè)研究領(lǐng)域，尤其在生物學(xué)、醫(yī)學(xué)、物理學(xué)等領(lǐng)域的卓有成就?！禢ature》雜志報(bào)道和評(píng)論各學(xué)科領(lǐng)域最新的研究成果和最重要的突破，為科學(xué)探索和論道提供平臺(tái)，也是熱門科學(xué)新聞的來源。
2023年3月23日，《Nature》雜志發(fā)表了北京大學(xué)三項(xiàng)成果。包括生命科學(xué)學(xué)院的《FcμR受體對(duì)免疫球蛋白IgM的識(shí)別》，化學(xué)與分子工程學(xué)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(xué)院的《二維硒化銦彈道晶體管》（Ballistic two-dimensional InSe transistors）。其中后兩項(xiàng)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(xué)
當(dāng)前，芯片制程已經(jīng)進(jìn)入3nm技術(shù)節(jié)點(diǎn)。中國臺(tái)積電公司和韓國三星電子公司都于2022年宣布3nm芯片實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。學(xué)術(shù)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(chǔ)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(gòu)等創(chuàng)新方式，芯片的集成度得以不斷提高，進(jìn)而不斷提升能效和算力。
但是，當(dāng)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(yīng)和熱效應(yīng)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(yīng)，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(guān)注的熱點(diǎn)。
以下是北京大學(xué)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(zhì)集成型二維鰭式晶體管
二維新材料精準(zhǔn)合成與新架構(gòu)集成是后摩爾時(shí)代高速低功耗芯片的技術(shù)瓶頸。針對(duì)全新三維架構(gòu)中二維溝道材料與介電質(zhì)集成這一科學(xué)難題和實(shí)際應(yīng)用需求，北京大學(xué)研究者獨(dú)辟蹊徑，報(bào)道了世界首例二維半導(dǎo)體鰭片/高κ柵氧化物異質(zhì)結(jié)陣列的外延生長及其三維架構(gòu)的集成制備，基于自主研發(fā)的新型二維鉍基材料體系，實(shí)現(xiàn)了自支撐高遷移率二維半導(dǎo)體Bi2O2Se垂直鰭片的精準(zhǔn)合成。合可控氧化手段，實(shí)現(xiàn)了晶圓級(jí)二維Bi2O2Se垂直鰭片/高κ自氧化物Bi2SeO5的異質(zhì)集成。
成果1論文，圖源：《Nature》雜志
北京大學(xué)研究者研制了高性能二維鰭式場效應(yīng)晶體管（2D FinFET）。演示了Bi2O2Se/Bi2SeO5二維鰭式晶體管電子學(xué)上的優(yōu)勢和潛力。該原創(chuàng)性工作突破了后摩爾時(shí)代高速低功耗芯片的關(guān)鍵新材料與新架構(gòu)三維異質(zhì)集成瓶頸，為開發(fā)突破硅基晶體管極限的未來芯片技術(shù)帶來新機(jī)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(xué)
?成果2、迄今世界速度最快、能耗最低的二維半導(dǎo)體晶體管
當(dāng)前傳統(tǒng)硅基場效應(yīng)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(jí)厚度與平整度、優(yōu)異的電學(xué)性能，被認(rèn)為是支持進(jìn)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(shí)現(xiàn)的性能均不能媲美業(yè)界先進(jìn)硅基晶體管，其實(shí)驗(yàn)結(jié)果遠(yuǎn)落后于理論預(yù)測。
成果2論文，圖源：《Nature》雜志
國際器件與系統(tǒng)路線圖(IRDS)預(yù)測，對(duì)于硅基金屬氧化物半導(dǎo)體(MOS)場效應(yīng)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(huì)下降到小于0.6 V。這要求了硅基芯片在縮放過程結(jié)束時(shí)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(xué)研究者首次使得二維晶體管實(shí)際性能超過Intel商用10納米節(jié)點(diǎn)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(dǎo)體晶體管。
北京大學(xué)研究者這項(xiàng)工作突破了長期以來阻礙二維電子學(xué)發(fā)展的關(guān)鍵科學(xué)瓶頸，將n型二維半導(dǎo)體晶體管的性能首次推近理論極限，率先在實(shí)驗(yàn)上證明出二維器件性能和功耗上優(yōu)于先進(jìn)硅基技術(shù)，為推動(dòng)二維半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展提供了嶄新的機(jī)遇。
彈道二維硒化銦晶體管與先進(jìn)節(jié)點(diǎn)硅基晶體管的比較，圖源：北京大學(xué)
北大芯片研究者的不懈努力
根據(jù)北京大學(xué)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(diǎn)。為了讓“卡脖子”的手松一點(diǎn)，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(shù)的迭代升級(jí)事業(yè)添磚加瓦。
根據(jù)北京大學(xué)的宣傳材料，每一篇文章的背后，都凝縮了團(tuán)隊(duì)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(jié)出的那顆最耀眼的結(jié)晶。北大是常為新的。一篇篇研究成果即是一個(gè)個(gè)清晰見證，訴說著北大人推動(dòng)科學(xué)的發(fā)展、謀求人類的進(jìn)步的初心與使命。
兩項(xiàng)成果采用的國外材料、設(shè)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(dǎo)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(xué)Hafner小組開發(fā)的進(jìn)行電子結(jié)構(gòu)計(jì)算和量子力學(xué)-分子動(dòng)力學(xué)模擬軟件包。
?成果1、其余的材料、設(shè)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(shè)備來自采用的是芬蘭Beneq公司，電子束光刻設(shè)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(dǎo)體分析儀來自美國Keithley，真空低溫探針臺(tái)來自美國Lake Shore。
?成果2、其余的材料、設(shè)備及軟件沒有公布。
可以看到,北京大學(xué)這兩項(xiàng)重大成果的突破主要是基于西方國家的材料、設(shè)備和軟件獲取的。國內(nèi)的芯片材料、設(shè)備和軟件供應(yīng)商仍然任重道遠(yuǎn)。