【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】2026年1月29日，北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院彭海琳教授研究團隊在《科學(xué)》(Science)在線發(fā)表了題為《晶圓級超薄且均勻的范德華鐵電氧化物》“Wafer-scale ultrathin and uniform van der Waals ferroelectric oxide”的研究長文(Science 2026，391，eadz1655)，報道了一種新型高介電常數(shù)(κ)范德華鐵電材料α-硒酸鉍(Bi2SeO5)，首次在晶圓級尺度上實現(xiàn)了超薄、均勻鐵電薄膜及其異質(zhì)結(jié)構(gòu)的可控制備，并構(gòu)筑了工作電壓超低(0.8V)、耐久性極高(可循環(huán)1.5×1012次以上)的高速鐵電晶體管，其綜合性能顯著超越了現(xiàn)有工業(yè)級鉿基鐵電體系，是目前已知工作電壓最小、能耗最低且耐久性最優(yōu)的鐵電晶體管。進一步地，成功構(gòu)建了可在CMOS兼容低電壓(<1V)下動態(tài)重構(gòu)的存內(nèi)邏輯運算電路。該工作在國際上首次展示了高性能晶圓級二維鐵電材料體系，為開發(fā)高能效先進芯片提供了突破性的材料基礎(chǔ)與可行技術(shù)路徑，有望推動人工智能硬件向更高算力、更低功耗的方向持續(xù)發(fā)展。
 

　　在人工智能(AI)時代，對高算力與低能耗芯片的需求日益迫切。傳統(tǒng)馮·諾依曼計算架構(gòu)因存儲與計算單元分離，導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸延遲大、能耗高，使芯片發(fā)展長期受限于“功耗墻”與“存儲墻”。為此，具有快速翻轉(zhuǎn)極化特性的非易失性鐵電材料，為發(fā)展存算一體架構(gòu)提供了機遇。其中，鐵電場效應(yīng)晶體管兼具邏輯與存儲功能，被視為構(gòu)建下一代高能效嵌入式存儲器與存算一體芯片的核心器件。然而，其實用化面臨一項關(guān)鍵挑戰(zhàn)：必須在晶圓級制備出均勻、穩(wěn)定超薄鐵電薄膜。當(dāng)薄膜厚度減薄5納米乃至原子層級時，傳統(tǒng)鐵電材料的自發(fā)極化會顯著退化，界面去極化效應(yīng)亦隨之加劇，導(dǎo)致器件性能嚴重下降。因此，如何在原子級厚度下保持鐵電特性并實現(xiàn)可靠、一致的晶圓級集成，已成為研制高能效鐵電存算一體芯片必須攻克的核心難題。

 

　　聚焦產(chǎn)業(yè)前沿瓶頸：高品質(zhì)鐵電材料的制備困境
 

　　隨著AI、云計算、大數(shù)據(jù)和5G等技術(shù)的快速發(fā)展，對芯片性能的要求持續(xù)攀升。沿用數(shù)十年的馮·諾依曼架構(gòu)因計算與存儲分離，嚴重制約系統(tǒng)能效的提升。鐵電材料憑借“自發(fā)極化”特性，被視為突破傳統(tǒng)架構(gòu)、構(gòu)建下一代存算一體芯片的關(guān)鍵所在。鐵電晶體管(FeFET)巧妙地將存儲與計算功能融合于單一器件，為晶體管賦予“記憶”能力，從根本上消除數(shù)據(jù)頻繁搬運帶來的能耗與延遲，尤其適用于存算一體及神經(jīng)形態(tài)計算等先進架構(gòu)。
 

　　然而，要實現(xiàn)與先進制程兼容的實際應(yīng)用，仍需突破關(guān)鍵瓶頸：高品質(zhì)鐵電超薄膜的均勻可控制備。當(dāng)前主流的鉿基鐵電材料雖與硅工藝兼容，但在晶圓級、超薄化制備時，仍面臨均勻性不足與鐵電性衰退等問題。因此，亟需發(fā)展兼具晶圓級均勻性、超薄穩(wěn)定鐵電性，且與半導(dǎo)體產(chǎn)線高度兼容的新型鐵電材料，以真正釋放存算一體芯片的潛力，推動其從實驗室走向規(guī)?；瘧?yīng)用。
 

　　視頻：晶圓級超薄均勻鐵電薄膜α-Bi2SeO5及鐵電晶體管
 

　　深耕關(guān)鍵材料創(chuàng)新：新型鉍基二維高κ鐵電氧化物體系
 

　　為突破傳統(tǒng)芯片架構(gòu)“功耗墻”和“存儲墻”制約，彭海琳課題組一直致力于探索適用于后摩爾時代非馮·諾依曼架構(gòu)先進芯片的新材料體系。早在2018年，課題組便率先發(fā)現(xiàn)鉍基二維半導(dǎo)體Bi2O2Se的原生氧化物α-Bi2SeO5，并通過理論計算預(yù)測其具有鐵電性。但從理論到驗證是一條漫漫長路。受限于材料、器件與表征等多重瓶頸，該推測遲遲未能獲得實驗支撐。
 

　　經(jīng)過近8年的不懈探索，課題組終于首次在實驗上確證了α-Bi2SeO5的鐵電性，更建立了一套后道工藝兼容(≤400°C)的原位氧化制備方法，實現(xiàn)了超薄鐵電薄膜的晶圓級均勻制備(圖1)。憑借獨特的范德華層狀結(jié)構(gòu)，α-Bi2SeO5即使薄至單層仍能保持穩(wěn)定鐵電性，成為實現(xiàn)原子級厚度非易失存儲器及亞5納米三維存算一體架構(gòu)的理想材料，為突破現(xiàn)有芯片性能邊界打開了全新可能。
 

圖2. 二維高 κ 鐵電氧化物α-Bi2SeO5的晶圓級均勻制備及鐵電性
 

　　突破器件性能極限：超低工作電壓、高耐久的二維鐵電晶體管及電路
 

　　該研究工作進一步成功制備了高性能鐵電晶體管陣列(圖3)。該器件在0.8V超低電壓和20ns高速寫入條件下，實現(xiàn)了超過1.5×1012次的循環(huán)耐久性，同時具備超過10年的保持時間、5bit多級存儲態(tài)以及2.8 fJ bit−1μm−2的超低能耗，已超越同類型器件的工業(yè)最高水平，完全滿足云端AI計算對可靠性的嚴苛要求。這項工作突破了傳統(tǒng)鐵電材料在保持時間與耐久性、速度與能耗之間的性能制約，為面向AI計算需求的低功耗、三維集成存算一體架構(gòu)提供了極具潛力的解決方案。進一步構(gòu)建的可動態(tài)重構(gòu)存內(nèi)邏輯運算電路在CMOS常規(guī)低工作電壓(<1V)下即可實現(xiàn)“一器兩用”的可重構(gòu)邏輯功能(圖4)，充分展示了其在下一代存算一體架構(gòu)中的重要應(yīng)用潛力，為構(gòu)建自適應(yīng)、低功耗的智能計算系統(tǒng)奠定了關(guān)鍵器件基礎(chǔ)。
 

圖3. 二維α-Bi2SeO5/Bi2O2Se鐵電晶體管器件及性能
 

　　圖4. 低功耗二維α-Bi2SeO5/Bi2O2Se鐵電晶體管基可重構(gòu)存內(nèi)邏輯電路
 

　　審稿人評價認為：“該工作不僅突破了傳統(tǒng)鐵電材料的厚度極限與集成難題，也為鐵電二維電子學(xué)開辟了新路徑——Bi2SeO5鐵電層作為二維半導(dǎo)體Bi2O2Se的自然氧化物，具備天然的集成優(yōu)勢。鐵電晶體管展現(xiàn)出優(yōu)異的存儲性能和高度均一性，彰顯出顯著的應(yīng)用潛力。”“這項工作將對鐵電材料和器件領(lǐng)域產(chǎn)生深遠影響，為鐵電二維電子學(xué)打開了大門。”
 

　　綜上所述，該研究在國際上首次實現(xiàn)了晶圓級超薄均勻的二維鐵電氧化物薄膜制備以及與二維半導(dǎo)體的三維異質(zhì)集成，并研制了超低工作電壓與超高耐久性的鐵電晶體管及可重構(gòu)存內(nèi)邏輯電路。該研究同時突破了鐵電材料制備與鐵電器件性能極限，為下一代高性能、低功耗芯片技術(shù)提供了全新的材料平臺與集成方案，標(biāo)志著“超越摩爾”路線實現(xiàn)了從材料創(chuàng)新到功能驗證的重要跨越。
 

　　該論文通訊作者為彭海琳及團隊的特聘副研究員劉洪濤，第一作者為北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院博雅博士后武欽慈，博士研究生李忠睿、韓秉辰、孫瑋玉、劉沁紜及薛騁遠。該工作合作者還包括北京大學(xué)物理學(xué)院高宇南研究員和賓夕法尼亞州立大學(xué)顏丙海教授等。該工作得到了國家自然科學(xué)基金委、科技部、新基石科學(xué)基金會等項目的資助，并得到了北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院分子材料與納米加工實驗室(MMNL)儀器平臺的支持。