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我國(guó)科學(xué)家研制出一種新型鉍基二維鐵電氧化物材料，首次實(shí)現(xiàn)其晶圓級(jí)超薄、均勻制備，并基于此材料研制出高能效的“存算一體”器件——高速鐵電晶體管，性能指標(biāo)國(guó)際領(lǐng)先。這為發(fā)展下一代低功耗、存算一體芯片奠定了關(guān)鍵材料與器件基礎(chǔ)。這項(xiàng)重要成果近日在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》上在線發(fā)表。

手機(jī)和電腦里的芯片，其“存儲(chǔ)”和“計(jì)算”是分開(kāi)的，就像記憶庫(kù)和運(yùn)算中心在兩個(gè)不同的城市。處理一個(gè)任務(wù)，數(shù)據(jù)就得在兩個(gè)“城市”間長(zhǎng)途跋涉，既慢又耗電。這已成為提升算力的主要瓶頸。而具有快速翻轉(zhuǎn)極化特性的鐵電材料，天生具備“記憶”能力，有望將“記憶庫(kù)”直接建在“運(yùn)算中心”上，實(shí)現(xiàn)存算一體，從而突破上述瓶頸。

然而，要將鐵電材料應(yīng)用于先進(jìn)芯片，有三大“攔路虎”：一是很難做出又薄又均勻的大面積鐵電薄膜；二是材料一旦做薄，其核心的鐵電“記憶”能力又會(huì)大幅減弱；三是很難保證鐵電薄膜與半導(dǎo)體界面無(wú)縫集成。

圖為新型鉍基二維鐵電氧化物材料的晶圓級(jí)均勻制備及鐵電性（受訪者供圖）

為此，北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院院長(zhǎng)彭海琳教授帶領(lǐng)研究團(tuán)隊(duì)突破了鐵電材料應(yīng)用于先進(jìn)芯片的三重困境，最終成功實(shí)現(xiàn)了晶圓級(jí)超薄均勻的鐵電薄膜制備，并研制出高速鐵電晶體管。

“我們像制作單晶硅片一樣，在晶圓上制備出了超薄、均勻的鐵電氧化物（α-硒酸鉍），更神奇的是，即使薄到僅1納米（約等于頭發(fā)絲直徑的六萬(wàn)分之一），它依然保有優(yōu)異的鐵電‘記憶’能力，并且‘記憶’層與‘運(yùn)算’層完美無(wú)縫集成，制作工藝能與現(xiàn)有芯片產(chǎn)線兼容。” 彭海琳說(shuō)。

用這種新材料制作的鐵電晶體管性能驚人。實(shí)驗(yàn)顯示，在僅0.8伏的低電壓下，鐵電晶體管能以20納秒的極速寫(xiě)入數(shù)據(jù)，并可反復(fù)擦寫(xiě)超過(guò)1.5萬(wàn)億次，可靠性遠(yuǎn)超云端AI計(jì)算的嚴(yán)苛標(biāo)準(zhǔn)，綜合性能全面超越當(dāng)前工業(yè)級(jí)主流的鉿基鐵電體系。彭海琳認(rèn)為，這項(xiàng)原創(chuàng)性成果，不僅為解決芯片的能耗與算力難題提供了全新的材料方案，也標(biāo)志著我國(guó)在“超越摩爾”這條前沿技術(shù)賽道上，實(shí)現(xiàn)了從材料發(fā)現(xiàn)到器件驗(yàn)證的重要跨越。

麻省理工學(xué)院教授蘇拉·奇瑪在《科學(xué)》上評(píng)論稱(chēng)，“這項(xiàng)研究的核心價(jià)值，就在于同時(shí)馴服了這三只‘?dāng)r路虎’，還造出了性能頂尖的晶體管與存算一體器件?！?/p>

彭海琳介紹，未來(lái)，鐵電材料的規(guī)模化制備及鐵電晶體管器件的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，可讓電子設(shè)備變得更持久、更快速、更智能。例如，存算一體的芯片能極大減少數(shù)據(jù)“奔波”的耗電，手機(jī)、筆記本電腦的續(xù)航時(shí)間有望顯著延長(zhǎng)，讓人們告別“電量焦慮”；更低功耗、更強(qiáng)算力的芯片，能讓復(fù)雜的AI算法直接在手機(jī)、汽車(chē)、家電等終端設(shè)備上高效運(yùn)行，而不過(guò)度依賴(lài)云端等。