1 工作简介

         ——首例可与硅生产线吻合且同一节点可降低非门面积超50%的感存算一体单晶体管MZT

哈尔滨工业大学（深圳）戴明志教授团队及合作者开发了世界首例可以与硅工业线吻合的无需要添加电阻新工艺的感存算一体单晶体管新结构MZT（a multifunctional multi-terminal zero-additional-resistor-process one-transistor with the novel channel electrode design architecture），并研制出MZT的逻辑器件、存储功能、仿生特性与基本阵列特性，基于MZT的基本特性容易提供呈现出其在视觉成像成图系统方面的模拟特性。该晶体管可以在实现逻辑门基本特性的同时、实现在同一工艺节点下面积比既有多晶体管逻辑门减小不止50%。该原创性工作可以在不改变工艺的条件下、仅靠核心基础部件晶体管数目的减小同样体现下代先进工艺的小面积，有助于突破工艺带来的硅产线面积瓶颈，为提高未来芯片技术带来新方案。不同于以往存算一体存储器件的仅提供输出电流，MZT结构能够接近人脑的“模拟存”+“数字算”。相关研究成果以“A One-Transistor Logic Gate with 50% Smaller Footprint by Foundry Process and Beyond”为题，发表于《Advanced Functional Materials》期刊。

集成电路（IC，integrated circuits）是信息社会的基石，也是实现人工智能（AI）、智慧医疗、云计算、大数据、5G通信等新兴信息技术发展和产业增长的必备硬件，是关系国计民生的国家战略技术。国家自然基金委联合清华、北大、复旦、中国科学院微电子所等教授在《中国科学基金》发表文章指出，新材料、新结构是未来发展的内容和挑战。然而，在各大硅产业公司TSMC、Samsung、Intel、IBM等在《Nature》2023年的Review“The Future Transistor”中指出，新材料在广泛应用之前，需要克服实际应用电路的基本挑战，包括Leakage、Variability、Reliability等，因此工艺的可重复性和可靠性尤为重要；而二维材料、碳纳米管等新材料与DOS缺陷有关。一方面，新材料基于DOS缺陷可以提供足够的载流子浓度和电流，另一方面缺陷的存在添加了调控未知的可靠性问题。因此，尽管新材料有很多突出的优良特性，但仍然无法立即替代以传统硅基半导体/氧化物（如Si/SiO₂、Si/HfO₂）为核心的互补金属氧化物半导体（CMOS）器件技术。摩尔定律要求Si业界大概平均每两年减小晶体管的尺寸面积、从而增加单位面积的电路数目、容易提高或增加单位面积的电路功能，因此要实现中国芯片的腾飞，一方面可以依赖工艺减小电路面积，而Si业界CMOS通过减小晶体管尺寸持续芯片迭代的传统工艺方法逐渐逼近分子尺寸，另一方面也可以通过设计精简电路来实现面积的减小，戴明志提出可以绕开工艺、通过减小有关核心部件的晶体管数目来同样能够达到有效减小电路面积的结果。

我们自2012年提出了单晶体管逻辑门的概念和新结构有关机理，发表在Nano Letters（Dai, M., Dai, N.*, Logic Circuit Function Realization by One Transistor. Nano Lett. 12, 5954–5956 (2012)），有相关的发明专利（CN103178116B，CN103956383B，CN108767015B）、通过调控电压实现各种逻辑门。2018年我们提出了基于我们的单晶体管逻辑门结构，可以用沟道添加电极的沟道结实现存储，申请了发明专利并获得授权（CN208444843U，CN112993040B）。随后有很多类似的基于晶体管沟道结电容的报道发表在Nature和Science子刊。例如，2018、2019年左右《自然纳米》等也提出了通过减小晶体管数目实现逻辑门的基本内容、用二维材料添加到晶体管、通过有关弯曲度在同一结构实现逻辑与门、或门。

然而，正如业界发表在《自然》的以上报道所述，基于新材料的器件制造在实现一定规模的量产之前，必须要克服可重复性、可靠性等问题带来的挑战。因此，与硅生产线工艺吻合的新结构有望较容易提出有效解决可重复性、可靠性挑战的方案。

哈工深戴明志教授团队致力于将感存算一体单晶体管新结构通过硅生产线工艺、一般TFT工艺的实现研究。团队基于独创的MZT结构，设计并制备了具有感存算功能的MZT器件，研制的MZT能够实现具有可以与人脑单脉冲事件同一数量级低功耗的仿生特性行为（<10 fJ）、有效存储时间（> 20 m）、较高电流开关比（10⁶）等特性，其与硅业界工艺吻合的特性，让其具备容易满足业界可重复性、可靠性等要求的可能（图1）。

此外，MZT与TFT等一般工艺也吻合，因此可以容易进行低成本制备（图2）。如图所示，在无需用光刻等复杂工艺的条件下，研究团队与合作者结合先进微纳加工技术，成功搭建了感存算仿生功能的MZT单晶体管（图2）。该晶体管的电流，随着光照波长会发生明显变化（图2e），具有感光功能。且该晶体管具有存储特性、一定编程条件下有效存储状态可以保持20 m以上。该MZT晶体管通过调节电压即可实现逻辑门的转化，在1.1 V的漏源电压（V_DS）下有与门功能，在1.2 V的的漏源电压（V_DS）条件下、其他不变、就可以实现或门。与新材料需要添加工艺不同，MZT是迄今为止报道的唯一与硅生产线工艺吻合的单晶体管新结构。研究团队还基于上述MZT晶体管构筑了MZT阵列探索视觉成像系统功能（图3）。

图3. 基于MZT的存储特性容易能够提供MZT阵列的视觉成像系统的模拟仿真结果。

该项研究在国际上首次实现了感存算单晶体管MZT与硅55 nm产线集成验证，并通过测试验证了MZT能够实现感存算功能、包括直接提供逻辑的电压输出、仅通过调控电压就可以直接提供不同逻辑功能。不同于以往存算一体存储器件的仅提供输出电流，MZT结构能够接近人脑的“模拟存”+“数字算”。该原创性工作提供了有效解决当今时代新结构与业界集成难题，提供了有效延续摩尔定律、绕开工艺发展瓶颈的关键科学方法，为开发未来芯片技术提供了有效方案。

该突破工作获得业界认可（图4）。哈尔滨工业大学（深圳）集成电路学院戴明志教授、上海微系统所研究员董业民研究员为该论文的共同通讯作者；戴明志教授为第一作者，哈尔滨工业大学（深圳）研究生林展群为第二作者。该工作的其他主要合作者还包括中国科学院宁波材料技术研究所宋伟杰研究院团队的李佳研究员、况永波研究员等。

图4. 新结构业界认可。

2 主要作者简介

第一作者、通讯作者

戴明志，哈尔滨工业大学（深圳）长聘教授。

主要从事半导体器件、感存算一体新结构、瞬态DOS表征、建模设计研究，致力于解决感存算新型结构的硅生产线工艺、TFT工艺的兼容实现、机理与架构搭建。发表SCI 收录论文40 余篇，含Advanced Functional Materials、Nano Research、Advanced Science和Nano Letters等一作/通讯论文20余篇。MZT新结构研究成果获全国颠覆性大赛优秀奖。成果获得上海微技术工研院认同。授权发明专利10余项。曾获国家青年人才项目、宁波市科技进步三等奖等荣誉。任《The Innovation Materials》青年编委。

第二作者

林展群，哈尔滨工业大学（深圳）集成电路学院硕士生。

师从戴明志教授从事感存算一体新结构的研究。迄今以第二作者（导师一作）在Advanced Functional Materials发表论文1篇，以共同第一作者身份在The Innovation Materials期刊投稿论文1篇（预接收），以第一负责人参加2024一带一路暨金砖国家技能发展与技术创新大赛南非国际赛获得铜奖。准备申请发明专利多项。

通讯作者

董业民，中国科学院上海微系统与信息技术研究所研究员。

中国科学院上海微系统与信息技术研究所（SIMIT）研究员、博士生导师。2004年博士毕业后，先后在华虹集团、新加坡格芯（GlobalFoundries）等半导体公司从事研发工作。2016年3月加入上海微系统所，曾担任集成电路材料全国重点实验室副主任等职务，目前担任高可靠设计中心主任，从事高性能、高可靠器件和电路研究，承担A类先导等多项重点科研项目，总经费超过3亿元，发表学术论文80余篇，申请发明专利100余项，培养研究生20余名。分别获得中国科学院和国家级创新领军人才计划和上海市五一劳动奖章等称号。2019年8月创立上海芯炽科技，并担任总经理和董事长；2021年1月至2023年6月在广东省工业和信息化厅挂职，担任总工程师；2023年9月至2025年10月担任上海工研院（SITRI）总经理。

3 原文传递

https://doi.org/10.1002/adfm.202421204