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半导体学报(英文)2026年第5期——中文导读:3-4

已有 137 次阅读 2026-6-3 10:18 |系统分类:论文交流

专家视点

3 后摩尔时代新突破：晶圆级二维半导体全环绕栅极异质结构“一体化”合成

随着芯片制程不断微缩，传统硅基晶体管在原子尺度上面临功耗泄漏与栅极控制能力下降等根本性物理极限。为延续性能提升，产业界正转向全环绕栅极（GAA）等新型架构。与此同时，原子级厚度的二维半导体因其能提供优异的静电控制并有望实现三维堆叠集成，被视为突破硅基极限的潜在革命性材料。然而，如何以可扩展、与现有芯片制造工艺兼容的方式，制备出高质量、均匀且被高介电栅介质完美包裹的二维半导体沟道，一直是制约其走向实际应用的核心瓶颈。现有方法普遍存在界面缺陷多、均匀性差或无法实现晶圆级双面集成等问题。

北京大学电子学院王建博士后和姜建峰教授在最新出版的《半导体学报（英文）》2026年第5期上发表News and view文章“A transferable route to two-dimensional gate-all-around electronics”，简短评论了北京大学彭海琳团队提出的一项开创性研究，成功利用一种创新的“缓冲范德华外延”技术，在国际上首次实现了晶圆级、均匀的单晶二维高k介质/半导体/高k介质全环绕栅极异质结构的“一体化”合成。

该成果的核心创新在于，研究团队在标准蓝宝石衬底上预先沉积了一层特殊的范德华缓冲氧化物（α-Bi₂SeO₅）。这层缓冲层巧妙地解决了衬底与目标二维半导体（Bi₂O₂Se）之间的晶格失配难题，从而引导在整个晶圆上外延生长出完美均匀的单晶Bi₂O₂Se薄膜。随后，通过一项精妙的受控氧化工艺，他们将薄膜的顶层原位转化为另一种高k介质（β-Bi₂SeO₅）。如此一来，一次生长过程便直接“生长”出了一个三明治结构的全环绕栅极异质结（β-Bi₂SeO₅/Bi₂O₂Se/α-Bi₂SeO₅），其内部界面达到了原子级洁净与锐利。

图1. (a) 用于单取向成核的缓冲层设计示意图。(b) Bi₂O₂Se/α-Bi₂SeO₅异质结构及α-Bi₂SeO₅/Bi₂O₂Se/β-Bi₂SeO₅二维全环绕栅极异质结构的截面扫描透射电子显微镜图像。(c) 二维全环绕栅极异质结构2英寸晶圆批量的实物照片，以及晶圆表面3 × 3阵列的低能电子衍射图像。(d) 二维全环绕栅极薄膜向柔性衬底与硅衬底转移的流程示意图，以及断裂界面的扫描透射电子显微镜图像。

更引人注目的是，该异质结构具备“天生”的可转移特性。借助缓冲层中的范德华间隙作为天然剥离面，整个晶圆尺度的功能薄膜可被完整地剥离，并转移到硅、柔性塑料等任意衬底上，而原始蓝宝石晶圆可重复使用。这实现了高质量材料生长与终端器件集成的“解耦”，为异质集成提供了极大设计自由。基于此材料制备的晶体管性能卓越，载流子迁移率高达227 cm²/(V·s)，开关比超过10⁶，且均匀性优异。更重要的是，转移后制备出的真正双栅全环绕栅极晶体管，其亚阈值摆幅等关键指标显著优于单栅器件，直接证明了该结构无与伦比的栅控能力。

这项工作远不止于展示一种高性能晶体管材料，它提供了一套具有普遍意义的“平台级”解决方案，为二维半导体融入未来芯片产业扫清了关键障碍。其未来应用前景广阔：首先，晶圆级均匀生长证明了该工艺与现有半导体产线的兼容潜力，为从实验室走向规模化制造铺平了道路。其次，独特的无损转移特性是实现单片三维集成的理想基石。未来，可像“搭积木”一样，将多层这种超薄、低功耗的高性能晶体管垂直堆叠，通过垂直互连形成超高密度三维芯片，从而在单位面积上实现算力与能效的指数级提升，是超越硅基平面微缩极限的切实路径。最后，缓冲范德华外延这一合成策略具有高度可扩展性，有望推广至其他二维材料体系，发掘更多功能组合。

总之，这项研究不仅攻克了二维半导体面向高端芯片应用的核心集成难题，更开辟了一条全新的材料制备与器件集成路径，为后摩尔时代集成电路的持续创新提供了关键驱动力和无限想象空间。

该文章以题为“A transferable route to two-dimensional gate-all-around electronics”发表在Journal of Semiconductors上。

文章信息：

A transferable route to two-dimensional gate-all-around electronics

Jian Wang, Ruiqin Wu, and Jianfeng JiangJ. Semicond. 2026, 47(5), 050401 doi: 10.1088/1674-4926/26020058

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4 螺旋三层石墨烯中的超莫尔畴

半导体超晶格的概念可追溯至1969年，江崎玲于奈与朱兆祥提出通过交替堆叠不同材料薄层来构造具有定制电子性质的人工晶体。如今，一种全新的超晶格范式正在兴起——不再依赖逐层沉积，而是利用二维晶体相互扭转或轻微失配时产生的莫尔图案。在扭转双层石墨烯中，莫尔超晶格已相继催生出超导、关联绝缘体和拓扑相等一系列重大发现。

然而，真实体系远比理想的刚性晶格复杂。层间弱范德华耦合允许各层弛豫至更低能量的堆垛构型。比如，在双层石墨烯中形成不同堆叠序的畴区，畴区之间由导电沟道分隔。当引入更多层时，多个莫尔图案之间的干涉会产生更长周期的“超莫尔”调制，带来全新的调制尺度和新奇物理。而各层以相同旋向等角扭转堆叠的“螺旋三层石墨烯（HTG）”尤为引人注目。理论预言其晶格将重构为三角形畴区镶嵌图案，相邻畴区携带相反的陈数。这意味着畴壁上将涌现出拓扑边界态。然而，如何在实空间中直接观测和调控这一超莫尔结构，一直是领域内亟待突破的核心难题。

Hoke等人首次在实空间中对HTG超莫尔弛豫图景进行直接成像的重要工作，并深入阐释了应变工程在调控拓扑超晶格中的关键作用。Hoke等人利用对局域电子压缩率极度灵敏的扫描单电子晶体管（SET）探针，对封装在六方氮化硼（h-BN）中的HTG器件进行精细扫描成像（见图1）。

Hoke等人发现，在单个畴区内部，晶格已弛豫为高度有序的莫尔图案，对应扭转角约为1.45°；而在更大尺度上，数据呈现出尺度达数百纳米的周期性超莫尔调制——远超莫尔波长本身（约10 nm）。这一超莫尔图案在空间上呈现为三角形局域极大值（对应畴区中心）与蜂窝状极小值（对应AAA堆叠区）交织的精美镶嵌结构。这与HTG弛豫晶格的理论预言高度吻合，证实畴区内部带隙的开启，而畴壁上存在无能隙的拓扑边界模式。

Hoke等人进一步发现，对同一器件进行热处理后，超莫尔畴区显著增大且更趋各向同性，而局域莫尔波长却保持不变。这表明异质应变是控制超莫尔网络形貌的核心变量，即应变可在不扰动局域莫尔电子结构的前提下，独立调控超莫尔尺度的畴区分布，为无损应变工程开辟了全新思路。

这一成果有力地推动了二维材料体系中应变调控拓扑量子态的基础研究，为后续在过渡金属硫属化合物、二维磁性和超导等更广泛材料体系中开展莫尔尺度的拓扑-关联-磁性协同调控研究奠定了重要基础。

图1.（a）扫描单电子晶体管测量示意图，插图为HTG弛豫超莫尔晶格示意。（b）器件光学显微图像。（c-d）热循环前局域扭转角与逆压缩率空间分布图，揭示三角形超莫尔畴结构。（e）按实验与理论畴区面积之比着色的重构畴网络图。（f-h）热循环后对应图像，畴区显著增大而局域莫尔波长不变。（i-j）超莫尔波长随扭转角失配与异质应变的理论计算依赖关系。（k）热循环前后畴区面积分布直方图。