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　　在人工智能（AI）時(shí)代，傳統(tǒng)馮·諾依曼計(jì)算架構(gòu)因存儲(chǔ)與計(jì)算單元物理分離，導(dǎo)致芯片算力與能效提升面臨顯著瓶頸。鐵電材料憑借其自發(fā)極化及極化方向可快速切換的特性，能夠?qū)崿F(xiàn)非易失性存儲(chǔ)與高能效矩陣計(jì)算，成為構(gòu)建存算一體非馮·諾依曼架構(gòu)、突破傳統(tǒng)“功耗墻”與“存儲(chǔ)墻”限制的關(guān)鍵方案之一。然而，鐵電氧化物薄膜材料在實(shí)際應(yīng)用中仍面臨大面積均勻制備困難、鐵電性能隨厚度微縮而衰退等問(wèn)題，尤其在向亞5納米先進(jìn)工藝節(jié)點(diǎn)微縮時(shí)，這些挑戰(zhàn)更加突出，嚴(yán)重制約了先進(jìn)計(jì)算架構(gòu)的發(fā)展與高能效芯片的實(shí)現(xiàn)。

　　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(tuán)隊(duì)在《科學(xué)》（Science）在線發(fā)表了題為《晶圓級(jí)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(zhǎng)文（Science 2026, 391, eadz1655.DOI: 10.1126/science.adz1655），報(bào)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 ），成功實(shí)現(xiàn)了后道工藝兼容的晶圓級(jí)超薄均勻鐵電薄膜制備。針對(duì)鐵電層與半導(dǎo)體溝道層異質(zhì)界面易受損的難題，該工作基于研究團(tuán)隊(duì)自主開(kāi)發(fā)的高遷移率鉍基二維半導(dǎo)體 Bi₂O₂Se 晶圓材料，建立了精準(zhǔn)可控的自氧化制備方法，首次構(gòu)筑出具有原子級(jí)平整界面和超薄鐵電層（單晶胞厚度，~1納米）的晶圓級(jí)鐵電/半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)，并構(gòu)筑了工作電壓超低（0.8 V）、耐久性極高（1.5×10¹²次循環(huán)）的高速鐵電晶體管，其綜合性能全面超越了現(xiàn)有工業(yè)級(jí)鉿基鐵電體系。并成功構(gòu)建出可動(dòng)態(tài)重構(gòu)的存內(nèi)邏輯運(yùn)算電路，在CMOS常規(guī)電壓以下（＜1 V）即可實(shí)現(xiàn)可切換的邏輯功能。該類器件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，標(biāo)志著二維鐵電器件性能達(dá)到了新的高度。此項(xiàng)成果構(gòu)建了全球首個(gè)晶圓級(jí)二維鐵電材料體系，突破了后摩爾時(shí)代非馮·諾依曼架構(gòu)芯片在新材料合成與異質(zhì)集成方面的關(guān)鍵技術(shù)瓶頸。

　　該研究不僅可應(yīng)對(duì)“超越摩爾定律”路線下新型計(jì)算架構(gòu)與大規(guī)模神經(jīng)形態(tài)計(jì)算系統(tǒng)在可擴(kuò)展性、可靠性和三維集成等方面的多重挑戰(zhàn)，更為開(kāi)發(fā)高能效先進(jìn)芯片提供了突破性材料基礎(chǔ)與技術(shù)路徑，有望推動(dòng)人工智能硬件向更高算力、更低功耗的方向持續(xù)發(fā)展。

　　圖1. 晶圓級(jí)范德華高 κ 鐵電氧化物/高遷移率二維半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)與高性能鐵電晶體管器件示意圖。

　　產(chǎn)業(yè)背景：AI時(shí)代芯片算力與功耗的雙重挑戰(zhàn)

　　AI、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、5G等技術(shù)的快速發(fā)展持續(xù)推升對(duì)芯片性能的需求。然而，傳統(tǒng)硅基芯片的發(fā)展已步入發(fā)展瓶頸：尺寸微縮逐漸逼近物理極限，短溝道效應(yīng)、量子隧穿等問(wèn)題不斷凸顯，摩爾定律（Moore’s law）的演進(jìn)速度明顯放緩。更為關(guān)鍵的是，沿用數(shù)十年的馮·諾依曼架構(gòu)由于計(jì)算與存儲(chǔ)單元分離，數(shù)據(jù)在兩者之間頻繁搬運(yùn)，形成巨大的能耗與延遲，即所謂的“功耗墻”與“存儲(chǔ)墻”，嚴(yán)重制約系統(tǒng)整體能效的提升。為打開(kāi)這一僵局，必須發(fā)展“超越摩爾定律”的新技術(shù)路線，著力于新材料、新器件與新架構(gòu)的研發(fā)與突破，來(lái)重新定義芯片的未來(lái)。

　　關(guān)鍵瓶頸：高品質(zhì)鐵電材料的制備困境

　　在眾多前沿技術(shù)路徑中，鐵電材料憑借其獨(dú)特的“自發(fā)極化”特性備受關(guān)注，被視為構(gòu)建下一代非馮·諾依曼架構(gòu)存算一體芯片的關(guān)鍵候選。這種材料在外加電場(chǎng)下快速可逆切換極化狀態(tài)，并能在斷電后長(zhǎng)期保持，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的非易失存儲(chǔ)，其功能類似具備“記憶”能力。鐵電晶體管（ FeFET ）具有簡(jiǎn)單緊湊的三端器件結(jié)構(gòu)，將“只算不存”的場(chǎng)效應(yīng)晶體管中的高κ柵介質(zhì)，變更為鐵電柵介質(zhì)，巧妙利用鐵電材料的可快速電場(chǎng)調(diào)控的極化雙穩(wěn)態(tài)與非易失性存儲(chǔ)特征，將存儲(chǔ)和計(jì)算功能完美融合在單一器件中，從根本上消除數(shù)據(jù)搬運(yùn)，突破“功耗墻”與“存儲(chǔ)墻”限制，兼具高密度、高速度和低功耗特點(diǎn)，非常適用于存算一體、神經(jīng)形態(tài)計(jì)算等先進(jìn)領(lǐng)域。

　　然而，從理想到現(xiàn)實(shí)的道路充滿挑戰(zhàn)。要將鐵電材料推向產(chǎn)業(yè)化，必須解決一個(gè)關(guān)鍵瓶頸：如何實(shí)現(xiàn)高品質(zhì)鐵電薄膜的可靠制備。當(dāng)前，氧化鉿（HfO₂）基鐵電材料因與現(xiàn)有硅基工藝兼容性較好，已成為主流體系。然而在向晶圓級(jí)、超薄化發(fā)展時(shí)，鉿基鐵電材料仍面臨均勻性不足、界面退極化效應(yīng)顯著、厚度低于5納米時(shí)鐵電性能急劇衰退等問(wèn)題。其根源在于薄膜中多相共存、結(jié)構(gòu)缺陷、晶粒不均勻等深層材料難題?？梢哉f(shuō)，制備出大面積均勻、僅數(shù)原子層厚且具有穩(wěn)定鐵電性的“完美薄膜”極具挑戰(zhàn)。

　　因此，在芯片工藝節(jié)點(diǎn)持續(xù)微縮的背景下，人們不僅需要優(yōu)化現(xiàn)有鐵電材料體系，更亟需探索兼具晶圓級(jí)均勻性、超薄穩(wěn)定鐵電特性，且與現(xiàn)有半導(dǎo)體工藝高度兼容的新型鐵電材料。唯有跨越這一材料瓶頸，才能真正釋放鐵電器件的潛力，推動(dòng)高集成、低功耗的存算一體芯片從實(shí)驗(yàn)室走向規(guī)?；瘧?yīng)用。

視頻：晶圓級(jí)超薄均勻鐵電薄膜α-Bi₂SeO₅及鐵電晶體管

　　材料創(chuàng)新：兼具晶圓級(jí)制備、超薄特性與均勻性的新型鉍基二維高κ鐵電氧化物體系

　　北京大學(xué)彭海琳課題組長(zhǎng)期致力于面向芯片應(yīng)用的二維材料物理化學(xué)研究，聚焦于發(fā)展“后摩爾時(shí)代”的二維電子材料與器件。2017年，課題組發(fā)現(xiàn)并制備出一種新型超高遷移率二維鉍基半導(dǎo)體硒氧化鉍（Bi₂O₂Se），其遷移率（~450 cm² V^?1 s^?1）顯著優(yōu)于硅及其他二維半導(dǎo)體材料，并具有優(yōu)異的熱穩(wěn)定性和空氣穩(wěn)定性，從而奠定了鉍基二維半導(dǎo)體材料體系的基礎(chǔ)（Nature Nanotech. 2017, 12, 530）。隨后，課題組進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)Bi2O2Se可氧化形成兩種原生高κ氧化物α-Bi₂SeO₅與β-Bi₂SeO₅。該體系是目前除硅基體系以外，少有的具有高界面質(zhì)量的原生介電層/半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)材料體系，高達(dá)21的高介電常數(shù)支持構(gòu)筑等效氧化層厚度為亞1納米乃至亞0.5納米的超低功耗晶體管（Nature Electron. 2020, 3, 473; Nature Electron. 2022, 5, 643）。基于該鉍基二維半導(dǎo)體/高κ氧化物體系，課題組持續(xù)推進(jìn)后摩爾先進(jìn)架構(gòu)器件，先后成功制備出全球首例外延高κ柵介質(zhì)集成的二維鰭式晶體管（Nature 2023, 616, 66）與二維環(huán)柵晶體管（Nature Mater. 2025, 24, 519），并實(shí)現(xiàn)了在工業(yè)襯底上外延制備可轉(zhuǎn)移的二維環(huán)柵單晶晶圓（Nature Commun. 2025, 16, 10857）。這些突破性進(jìn)展攻克了二維電子學(xué)發(fā)展的關(guān)鍵科學(xué)瓶頸，為開(kāi)發(fā)高性能芯片技術(shù)提供了全新路徑。此外，依托該材料體系，課題組還研制了一系列高性能器件，包括二維晶體管、紅外探測(cè)器、傳感器以及量子霍爾器件（Nature Commun. 2018, 9, 3311; Nature Mater. 2023, 22, 832; Nature Nanotech. 2024, 19, 1452; Phy. Rev. Lett. 2025, 135, 246302），展現(xiàn)了該鉍基二維材料體系在多功能電子與光電器件方面的廣泛潛力。

　　為突破傳統(tǒng)芯片架構(gòu)所面臨的“功耗墻”和“存儲(chǔ)墻”制約，課題組近年來(lái)一直致力于適用于非馮·諾依曼架構(gòu)先進(jìn)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的原生層狀高κ氧化物柵介質(zhì)α-Bi₂SeO₅，并通過(guò)理論計(jì)算預(yù)測(cè)其可能具有鐵電性。然而，從理論推測(cè)到實(shí)驗(yàn)證實(shí)，卻是一條充滿挑戰(zhàn)的漫漫長(zhǎng)路。受限于材料制備、器件加工與表征技術(shù)等多重瓶頸，該推測(cè)遲遲未能獲得實(shí)驗(yàn)支撐。

　　科研突破往往源于持續(xù)深耕。經(jīng)過(guò)近八年的不懈探索，課題組不僅首次在實(shí)驗(yàn)上確證了α-Bi₂SeO₅具有穩(wěn)定的鐵電性，更建立了一套后道工藝兼容（≤400 °C）的原位氧化制備方法，成功實(shí)現(xiàn)了層狀α-Bi₂SeO₅超薄鐵電薄膜的晶圓級(jí)均勻制備（圖1）。該方法以鈦酸鍶或藍(lán)寶石襯底上化學(xué)氣相沉積（CVD）生長(zhǎng)的高遷移率二維半導(dǎo)體Bi₂O₂Se薄膜為啟動(dòng)，通過(guò)精確可控的逐層氧化，構(gòu)筑出具有原子級(jí)平整銳利界面的α-Bi₂SeO₅/Bi₂O₂Se 二維鐵電/半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步氧化獲得純相α-Bi₂SeO₅薄膜。值得關(guān)注的是，憑借其獨(dú)特的范德華層狀結(jié)構(gòu)，α-Bi₂SeO₅即使薄至單層（約1納米），仍能保持穩(wěn)定的面外與面內(nèi)耦合鐵電性，并表現(xiàn)出適中的矯頑場(chǎng)（約2.5 MV cm^?1）以及高達(dá)約22 μC cm^?2的剩余極化強(qiáng)度。此外，α-Bi₂SeO₅具備高達(dá)24的介電常數(shù)以及超過(guò)880 K的居里溫度，預(yù)示著其在低功耗與高溫等極端環(huán)境應(yīng)用的巨大潛力。

　　尤其重要的是，單層厚度下仍能維持宏觀鐵電極化，證明層狀α-Bi₂SeO₅無(wú)臨界尺寸限制，且具備優(yōu)異的抗退極化場(chǎng)能力。這使其成為實(shí)現(xiàn)原子級(jí)厚度非易失存儲(chǔ)器及亞5納米三維存算一體架構(gòu)的理想材料候選，為突破現(xiàn)有芯片性能邊界打開(kāi)了全新可能。

　　圖2. 二維高κ鐵電氧化物 α-Bi₂SeO₅ 的晶圓級(jí)均勻制備及鐵電性。（A）α-Bi₂SeO₅ 的范德華層狀晶體結(jié)構(gòu)；（B）α-Bi₂SeO₅ 的鐵電極化態(tài)示意圖；（C）α-Bi₂SeO₅ 的鐵電兩個(gè)不同極化態(tài)的透射電鏡圖像；（D）α-Bi₂SeO₅/Bi₂O₂Se 二維鐵電/半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)晶圓及α-Bi₂SeO₅ 鐵電薄膜晶圓；（E）α-Bi₂SeO₅ 鐵電薄膜晶圓的均一性統(tǒng)計(jì)；（F）轉(zhuǎn)移到硅襯底上的 α-Bi₂SeO₅ 鐵電薄膜晶圓；（G）大范圍均勻的 α-Bi₂SeO₅ 鐵電薄膜透射電鏡圖像；（H）單層 α-Bi₂SeO₅ 鐵電薄膜的透射電鏡圖像；（I）α-Bi₂SeO₅ 的介電常數(shù)及相變溫度；（J）單層 α-Bi₂SeO₅ 的P-E電滯回線；（K） α-Bi₂SeO₅ 與其他鐵電材料體系的厚度及剩余極化強(qiáng)度對(duì)比。

　　器件突破：超低工作電壓、高耐久的二維鐵電晶體管及電路

　　該研究工作通過(guò)原位氧化方法，構(gòu)筑了原子級(jí)平整的二維鐵電/半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)α-Bi₂SeO₅/Bi₂O₂Se，并成功制備了晶圓級(jí)二維鐵電晶體管（FeFET）陣列（圖3）。該陣列展現(xiàn)出優(yōu)異的電學(xué)性能：器件開(kāi)關(guān)比超過(guò)10⁶，在±1 V的工作電壓下具有0.9 V的回滯窗口，且器件間均一性控制在5%以內(nèi)。更突出的是，借助于α-Bi₂SeO₅層狀結(jié)構(gòu)中獨(dú)特的抗鐵電疲勞Bi2O2骨架以及低缺陷的自氧化異質(zhì)界面，F(xiàn)eFET器件在0.8 V的超低工作電壓和20 ns的高速寫(xiě)入條件下，實(shí)現(xiàn)了超過(guò)1.5×10¹²次的循環(huán)耐久性，該指標(biāo)已超越同類器件的工業(yè)最高水平，完全滿足云端AI計(jì)算對(duì)可靠性的嚴(yán)苛要求。此外，該FeFET器件還具備超過(guò)10年的數(shù)據(jù)保持時(shí)間、32個(gè)穩(wěn)定的多級(jí)存儲(chǔ)態(tài)（5 bit）以及2.8 fJ bit^?1 μm^?2的超低操作能耗，能效優(yōu)于其他存儲(chǔ)體系1–2個(gè)數(shù)量級(jí)。這項(xiàng)工作表明，α-Bi₂SeO₅ 能夠突破傳統(tǒng)鐵電材料在保持時(shí)間與耐久性、速度與能耗之間的性能制約，為面向AI計(jì)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，也為“超越摩爾”路線的發(fā)展開(kāi)拓了可擴(kuò)展、高可靠且兼容三維集成的二維鐵電材料新路徑。

　　圖3. 二維α-Bi₂SeO₅/Bi₂O₂Se鐵電晶體管器件及性能。（A）2英寸晶圓二維α-Bi₂SeO₅/Bi₂O₂Se FeFET陣列；（B）2英寸晶圓上200個(gè)FeFET的轉(zhuǎn)移曲線；（C）對(duì)應(yīng)（B）中器件開(kāi)/關(guān)比和存儲(chǔ)窗口統(tǒng)計(jì)；（D）1.5×10¹²次循環(huán)測(cè)試的FeFET轉(zhuǎn)移曲線；（E）1.5×10¹²次循環(huán)測(cè)試下FeFET的開(kāi)/關(guān)態(tài)電流密度統(tǒng)計(jì)；（F）FeFET的32個(gè)多電導(dǎo)態(tài)演示；（G-I）二維αBi₂SeO₅/Bi₂O₂Se FeFET與其他鐵電材料及不同存儲(chǔ)材料體系的綜合性能對(duì)比。

　　基于上述超低電壓、超高耐久性的FeFET器件，該研究工作進(jìn)一步構(gòu)建出可動(dòng)態(tài)重構(gòu)的存內(nèi)邏輯運(yùn)算電路。該電路在CMOS常規(guī)低工作電壓（＜1 V）下即可實(shí)現(xiàn)可切換的邏輯功能，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（圖4）。在未達(dá)到矯頑電場(chǎng)的較低柵電壓下，器件展現(xiàn)出無(wú)回滯的高性能晶體管特性，可用作常規(guī)反相器執(zhí)行邏輯運(yùn)算；而當(dāng)柵壓超過(guò)矯頑電場(chǎng)時(shí)，器件可無(wú)縫切換至非易失存儲(chǔ)狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的長(zhǎng)期保持。這種“一器兩用”的可重構(gòu)特性，顯著提升了CMOS電路的設(shè)計(jì)自由度，為構(gòu)建自適應(yīng)、低功耗的智能計(jì)算系統(tǒng)奠定了關(guān)鍵器件基礎(chǔ)。

　　圖4. 低功耗二維α-Bi₂SeO₅/Bi₂O₂Se鐵電晶體管基可重構(gòu)的存內(nèi)邏輯電路。（A）二維α-Bi₂SeO₅/Bi₂O₂Se FeFET在不同電壓下的轉(zhuǎn)移曲線，隨著電壓增加，器件從無(wú)回滯晶體管特性切換至非易失存儲(chǔ)特性；（B）基于二維α-Bi₂SeO₅/Bi₂O₂Se FeFET的可動(dòng)態(tài)重構(gòu)存內(nèi)邏輯運(yùn)算電路；（C）用于可重構(gòu)存內(nèi)邏輯運(yùn)算的FeFET 工作狀態(tài)示意圖；（D）該存內(nèi)邏輯電路在不同狀態(tài)下的輸出特性；（E）該存內(nèi)邏輯電路在三種狀態(tài)下工作的循環(huán)性能。

　　審稿人評(píng)價(jià)認(rèn)為：“該工作不僅突破了傳統(tǒng)鐵電材料的厚度微縮限制，解決了二維鐵電材料的晶圓級(jí)集成難題，也為鐵電二維電子學(xué)的發(fā)展開(kāi)辟了新路徑——尤其是，Bi₂SeO₅鐵電層作為半導(dǎo)體Bi₂O₂Se的自然氧化物，具備天然的集成優(yōu)勢(shì)。所制備的鐵電晶體管展現(xiàn)出優(yōu)異的存儲(chǔ)性能和高度均一性，彰顯出顯著的應(yīng)用潛力。”“這項(xiàng)工作將對(duì)鐵電材料和器件領(lǐng)域產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響，為鐵電二維電子學(xué)打開(kāi)了大門(mén)?！?/span>

　　綜上所述，該研究在國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)了晶圓級(jí)超薄且均勻的二維鐵電氧化物薄膜制備，并實(shí)現(xiàn)了與高遷移率二維半導(dǎo)體的三維異質(zhì)集成?；谠摷审w系，成功研制了兼具超低工作電壓與超高耐久性的鐵電晶體管及可重構(gòu)的存內(nèi)邏輯電路，全面展示了其在未來(lái)存算一體架構(gòu)中的應(yīng)用潛力。

　　這項(xiàng)原創(chuàng)工作的核心創(chuàng)新與突破在于，首次報(bào)道了性能超越現(xiàn)有工業(yè)級(jí)鉿基鐵電材料的新型鉍基二維鐵電體系。該體系同時(shí)突破了鐵電材料制備與鐵電器件性能極限，不僅為發(fā)展下一代高性能、低功耗芯片技術(shù)提供了全新的材料平臺(tái)與集成路徑，也標(biāo)志著在“超越摩爾”技術(shù)路線上實(shí)現(xiàn)了從材料創(chuàng)新到功能驗(yàn)證的重要跨越。

　　論文信息：該論文通訊作者為北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院彭海琳教授、劉洪濤特聘副研究員，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、北京大學(xué)前沿交叉科學(xué)研究院博士研究生韓秉辰、孫瑋玉、北京大學(xué)物理學(xué)院博士研究生劉沁紜及北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院博士研究生薛騁遠(yuǎn)。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(guó)家自然科學(xué)基金委、科技部、新基石科學(xué)基金會(huì)所設(shè)立的新基石研究員項(xiàng)目與科學(xué)探索獎(jiǎng)等項(xiàng)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(shí)驗(yàn)室（MMNL）儀器平臺(tái)的支持。

　　論文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adz1655