全球首个超薄铋基铁电晶体管问世 为芯片突破“功耗墙”开辟新路径
在人工智能迅猛发展的今天，传统芯片架构正遭遇“功耗墙”与“存储墙”的双重围堵——计算与存储分离导致海量数据(17.730,-0.49,-2.69%)搬运，能耗过大、效率受限。如何让芯片既快速又省电?北京大学化学与分子工程学院彭海琳教授团队给出一项突破性答案：他们成功研制出全球首个晶圆级超薄、均匀的新型铋基二维铁电氧化物，并基于此构建出工作电压超低(0.8伏)、耐久性极高(1.5×1012次循环)的高速铁电晶体管，其综合性能全面超越当前工业级铪基铁电体系。相关成果日前在线发表于国际学术期刊《科学》。
彭海琳介绍，长久以来，铁电材料因其可逆极化与非易失存储特性，被视为打通存算一体、突破冯·诺依曼架构(在冯·诺依曼架构下，计算和存储是相互分离的)瓶颈的关键。然而，当芯片工艺逼近亚5纳米(小于5纳米)节点，传统铁电薄膜面临均匀性差、界面缺陷多、厚度减薄后铁电性骤降等难题。研究团队创新性依托其自主研发的高迁移率铋基二维半导体Bi2O2Se(硒氧化铋)，首次实现了原子级平整的二维铁电自然氧化物Bi2SeO5(硒酸铋)及异质结构晶圆级均匀制备。这种新型铁电氧化物不仅具有高达24的介电常数和超过600℃的高温结构稳定性，更在单晶胞厚度(约1纳米)下仍保持优异铁电性，彻底摆脱了传统铁电材料的尺寸限制。
在此基础上，研究团队还制备出高性能铁电晶体管阵列，能效领先其他存储技术1至2个数量级，并展现出32个稳定多级存储态与超10年数据保持能力。尤为亮眼的是，在0.8伏超低电压和20纳秒高速写入条件下，器件经受住1.5万亿次循环考验，可靠性远超云端AI计算的严苛标准。更进一步，团队利用该器件构建出可动态重构的存内逻辑电路——在低于1伏的常规CMOS电压下，同一器件既能执行逻辑运算，又能切换为非易失存储，真正实现“一器两用”，为未来自适应智能芯片开辟了新范式。
审稿人评价，该工作“解决了二维铁电材料晶圆级集成难题，彰显出显著的应用潜力”，并“对铁电材料和器件领域产生深远影响，为铁电二维电子学发展打开了大门”。
“这项原创成果为发展下一代高性能、低功耗芯片技术提供了全新的材料平台与集成路径。”彭海琳说。
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