突破铁电晶体管微缩的三重困境

北京大学彭海琳教授团队与合作者开发了一种新型高介电常数（κ）范德华铁电材料α-硒酸铋（Bi2SeO5），并构筑了工作电压超低（0.8 V）、耐久性极高（可循环1.5×1012次以上）的铁电晶体管及存内逻辑电路，其综合性能显著超越了现有工业级铪基铁电体系。

相关成果以“晶圆级超薄且均匀的范德华铁电氧化物（Wafer-scale ultrathin and uniform van der Waals ferroelectric oxide）”为题，在《科学》（Science）期刊上发表。

在人工智能时代，具有快速翻转极化特性的铁电材料，为发展存算一体架构、突破现有架构“功耗墙”与“存储墙”提供了机遇。其中，铁电场效应晶体管兼具逻辑与存储功能，被视为构建下一代高能效嵌入式存储器与存算一体芯片的核心器件。目前，晶圆级均匀、稳定超薄铁电薄膜的制备是限制铁电器件实用化的关键挑战。如何在原子级厚度下保持铁电特性并实现可靠、一致的晶圆级集成，已成为研制高能效铁电存算一体芯片必须攻克的核心难题。

针对以上问题，研究团队设计并开发了新型铋基二维铁电材料α-Bi2SeO5，建立了一套后道工艺兼容（≤400 °C）的原位氧化制备方法，首次在晶圆级尺度上实现了超薄、均匀铁电薄膜及其异质结构的可控制备。基于该材料体系，研究团队成功制备了高性能铁电晶体管，在0.8 V超低电压和20 ns高速写入条件下，实现了超过1.5×1012次的循环耐久性，同时具备超过10年的保持时间、5 bit多级存储态以及2.8 fJ bit−1 μm−2的超低能耗，已超越同类型器件的工业最高水平。进一步构建的可动态重构存内逻辑运算电路在CMOS常规低工作电压（＜1 V）下即可实现“一器两用”的可重构逻辑功能。该工作同时突破了铁电材料制备与铁电器件性能极限，为下一代高性能、低功耗芯片技术提供了全新的材料平台与集成方案，标志着“超越摩尔”路线实现了从材料创新到功能验证的重要跨越。