中国科学院院士、北京大学电子学院院长彭练矛：高性能二维半导体新突破

10月15日，在于深圳举办的第三届芯片大会上，中国科学院院士、北京大学电子学院院长彭练矛分享了其团队在高性能n型二维半导体材料与器件领域的最新研究进展。他分享了一项解决二维半导体关键技术瓶颈的方案，并展示了基于该方案所制备的器件性能，为后摩尔时代集成电路技术的发展引出了新的可能性。

我们在报告中捕捉了几个关键信息：

• 长期以来，巨大的接触电阻是阻碍二维半导体材料发挥其理论性能优势、走向实际应用的核心技术瓶颈。

• 彭院士团队通过一种创新的低温、原子级界面改性工艺，构建了高效的欧姆接触。

• 基于此项突破研制的n型二维晶体管在速度、功耗等核心性能上首次超越了先进硅基晶体管的极限。

• 团队同时开发出配套的晶圆级材料低温生长技术，解决了规模化制备的难题。

• 未来攻克p型器件瓶颈是实现完整二维CMOS技术的关键。 

报告首先回顾了集成电路的技术演进路线，指出随着硅基晶体管尺寸不断微缩并趋近物理极限，以二维材料为代表的新型半导体已成为业界探索下一代技术的重要方向。二维半导体在原子级别的厚度上依然能保持良好的导电特性，理论上是构筑更小、更高效晶体管的理想沟道材料。然而，将二维材料的理论优势转化为实际器件性能的过程中，长期存在一个核心障碍，即金属电极与半导体沟道之间的接触界面会产生巨大的接触电阻。这种高电阻如同一个瓶颈，阻碍了电子在电路和高性能沟道之间的顺畅流动，使得材料本身的优异本征特性无法被有效利用，这是二维电子学通向应用的主要障碍之一。

针对这一挑战，彭练矛院士团队开发了一种具备原子层级精度的界面改性工艺。该工艺与传统的高能离子注入等掺杂方式有本质区别，其低温、精准的特性避免了对原子级厚度的二维沟道材料造成损伤，展示了与未来先进制造工艺的兼容性。通过对接触区域进行精准的原子级调控，该工艺将二维半导体最表层转化为一种性质稳定的半金属相。这种界面层的构建，成功地改变了接触区的电子结构，消除了导致高电阻的势垒，从而实现了高效的欧姆接触。报告指出，该技术的应用使得二维器件的接触电阻问题得到了解决。

基于这一接触工程的突破，团队制备出的n型二维晶体管在实验中表现出性能优势。在关键的性能评估中，该器件的工作电压、运行速度和功耗等核心指标，首次在整体上超越了先进硅基器件所能达到的极限。同时，其对短沟道效应的抑制能力也优于硅基器件，这使得晶体管在持续微缩下仍能保持理想的开关特性。这一系列成果响应了国际半导体技术路线图对于未来器件的性能预期，实验性地证明了二维半导体在未来构建高性能、低功耗电子器件方面的可行性与潜力。

除了器件本身的突破，报告还介绍了在材料规模化制备方面的进展。为配合未来产业化的需求，团队开发了一种低温的晶圆级生长技术，能够将非晶形态的二维材料薄膜转化为大面积、高质量的单晶薄膜。低温特性尤其重要，因为它意味着该技术未来有望与芯片制造的后道工序（BEOL）兼容，为三维集成等更先进的芯片架构提供了可能。测试表明，通过该方法制备的材料均匀性良好，为二维器件从实验室研究走向规模化制造解决了关键的材料难题。

报告最后也指出了该领域未来的发展方向和尚存的挑战。目前取得的显著突破主要集中在n型晶体管，而构成现代数字逻辑电路基础的CMOS技术需要性能匹配的n型与p型晶体管。当前，已有的p型二维器件在性能上与此次报告的n型器件相比仍有较大差距。这种差距不仅体现在器件性能上，也体现在材料生长成熟度上，高性能p型材料的制备往往需要更苛刻的工艺条件。因此，攻克p型器件的综合难题，是实现二维材料构建完整CMOS电路、进而成为真正可替代硅基技术的平台性技术的最后一道关卡。未来的研究重点将是提升p型器件的性能，主要方向包括优化材料生长、改进缺陷控制、以及将已验证的接触工程技术应用于p型器件。