迄今尺寸最小功耗最低铁电晶体管问世

来源：科技日报

科技日报记者 张佳星

“我们将铁电晶体管的物理栅长缩减到了1纳米极限。”2月23日，北京大学电子学院研究员邱晨光告诉科技日报记者，团队创造性地制备了迄今尺寸最小、功耗最低的铁电晶体管，有望为AI芯片算力和能效提升提供核心器件支撑。相关研究成果在线发表于《科学·进展》上。

据介绍，当前AI算力普遍面临“内存墙”问题，即计算时数据的存储与运算分处于不同区域，“隔墙”调用严重制约了AI芯片性能提升。

与传统半导体逻辑晶体管不同，铁电晶体管（FeFET）同时兼具存储和计算能力。“它像人脑的神经元一样，将存储和计算功能合二为一，有望彻底打破传统计算架构中‘存储’与‘计算’分离导致的效率瓶颈。”邱晨光介绍，铁电晶体管“存算一体”的能力更符合AI芯片进化的方向，业内将其视为神经形态计算方面最具潜力的新型基础器件。

然而，传统铁电晶体管存在能耗过高、逻辑电压不匹配等短板限制了其大规模应用。为此，北京大学邱晨光研究员—彭练矛院士团队，利用纳米栅极结构设计，巧妙解决了铁电材料“改变极化状态”需要高电压高能耗的问题。

“我们持续精进工艺，将铁电晶体管的物理栅长缩减至极限1纳米，这一精度达到原子尺度，促成铁电层内部形成高强度电场，仅需极少外部能量（0.6V电压）激发，即可轻松翻转铁电极化。”邱晨光表示，这一技术打破了传统铁电晶体管的物理限制，使得能耗比国际最好水平整整降低了一个数量级。

“纳米栅的设计就好像是对电场进行了‘杠杆放大’，能够以极低的电压代价，驱动铁电材料发生极化反转，从而在物理机制上实现了能耗的跨越式降低。”邱晨光进一步解释，有着超低工作电压与极低能耗特性的纳米栅铁电晶体管，不仅能为构建高能效数据中心提供核心器件方案，也为发展下一代高算力人工智能芯片奠定关键技术基础。