北京大学研制出超低工作电压、高耐久性的二维铁电晶体管及可重构存内逻辑电路

　　该研究工作通过原位氧化方法，构筑了原子级平整的二维铁电/半导体异质结构α-Bi₂SeO₅/Bi₂O₂Se，并成功制备了晶圆级二维铁电晶体管（FeFET）阵列（图3）。该阵列展现出优异的电学性能：器件开关比超过10⁶，在±1 V的工作电压下具有0.9 V的回滞窗口，且器件间均一性控制在5%以内。更突出的是，借助于α-Bi₂SeO₅层状结构中独特的抗铁电极化疲劳Bi2O2骨架以及低缺陷的自氧化异质界面，FeFET器件在0.8 V的超低工作电压和20 ns的高速写入条件下，实现了超过1.5×10¹²次的循环耐久性，该指标已超越同类器件的工业最高水平，完全满足云端AI计算对可靠性的严苛要求。此外，该FeFET器件还具备超过10年的数据保持时间、32个稳定的多级存储态（5 bit）以及2.8 fJ bit⁻¹ μm⁻²的超低操作能耗，能效优于其他存储体系1–2个数量级。这项工作表明，α-Bi₂SeO₅ 能够突破传统铁电材料在保持时间与耐久性、速度与能耗之间的性能制约，为面向AI计算需求的低功耗、三维集成存算一体架构提供了极具潜力的解决方案，也为“超越摩尔”路线的发展开拓了可扩展、高可靠且兼容三维集成的二维铁电材料新路径。

　　图3. 二维α-Bi₂SeO₅/Bi₂O₂Se铁电晶体管器件及性能。（A）2英寸晶圆二维α-Bi₂SeO₅/Bi₂O₂Se FeFET阵列；（B）2英寸晶圆上200个FeFET的转移曲线；（C）对应（B）中器件开/关比和存储窗口统计；（D）1.5×10¹²次循环测试的FeFET转移曲线；（E）1.5×10¹²次循环测试下FeFET的开/关态电流密度统计；（F）FeFET的32个多电导态演示；（G-I）二维αBi₂SeO₅/Bi₂O₂Se FeFET与其他铁电材料及不同存储材料体系的综合性能对比。

　　基于上述超低电压、超高耐久性的FeFET器件，该研究工作进一步构建出可动态重构的存内逻辑运算电路。该电路在CMOS常规低工作电压（＜1 V）下即可实现可切换的逻辑功能，充分展示了其在下一代存算一体架构中的重要应用潜力（图4）。在未达到矫顽电场的较低栅电压下，器件展现出无回滞的高性能晶体管特性，可用作常规反相器执行逻辑运算；而当栅压超过矫顽电场时，器件可无缝切换至非易失存储状态，实现数据的长期保持。这种“一器两用”的可重构特性，显著提升了CMOS电路的设计自由度，为构建自适应、低功耗的智能计算系统奠定了关键器件基础。

　　图4. 低功耗二维α-Bi₂SeO₅/Bi₂O₂Se铁电晶体管基可重构的存内逻辑电路。（A）二维α-Bi₂SeO₅/Bi₂O₂Se FeFET在不同电压下的转移曲线，随着电压增加，器件从无回滞晶体管特性切换至非易失存储特性；（B）基于二维α-Bi₂SeO₅/Bi₂O₂Se FeFET的可动态重构存内逻辑运算电路；（C）用于可重构存内逻辑运算的FeFET 工作状态示意图；（D）该存内逻辑电路在不同状态下的输出特性；（E）该存内逻辑电路在三种状态下工作的循环性能。

　　审稿人评价认为：“该工作不仅突破了传统铁电材料的厚度微缩限制，解决了二维铁电材料的晶圆级集成难题，也为铁电二维电子学的发展开辟了新路径——尤其是，Bi₂SeO₅铁电层作为二维半导体Bi₂O₂Se的自然氧化物，具备天然的集成优势。所制备的铁电晶体管展现出优异的存储性能和高度均一性，彰显出显著的应用潜力。”“这项工作将对铁电材料和器件领域产生深远影响，为铁电二维电子学打开了大门。”

　　综上所述，该研究在国际上首次实现了晶圆级超薄且均匀的二维铁电氧化物薄膜制备，并实现了与高迁移率二维半导体的三维异质集成。基于该集成体系，成功研制了兼具超低工作电压与超高耐久性的铁电晶体管及可重构的存内逻辑电路，全面展示了其在未来存算一体架构中的应用潜力。

　　这项原创工作的核心创新与突破在于，首次报道了性能超越现有工业级铪基铁电材料的新型铋基二维铁电体系。该体系同时突破了铁电材料制备与铁电器件性能极限，不仅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，也标志着在“超越摩尔”技术路线上实现了从材料创新到功能验证的重要跨越。

　　论文信息：该论文通讯作者为北京大学化学与分子工程学院彭海琳教授及团队的刘洪涛特聘副研究员，第一作者为北京大学化学与分子工程学院博雅博士后武钦慈、博士研究生李忠睿、北京大学前沿交叉科学研究院博士研究生韩秉辰、孙玮玉、北京大学物理学院博士研究生刘沁纭及北京大学化学与分子工程学院博士研究生薛骋远。该工作合作者还包括北京大学物理学院高宇南研究员和宾夕法尼亚州立大学颜丙海教授等。该工作得到了国家自然科学基金委、科技部、新基石科学基金会等项目的资助，并得到了北京大学化学与分子工程学院分子材料与纳米加工实验室（MMNL）仪器平台的支持。

　　论文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adz1655

来源：北京大学化学与分子工程学院