迄今最小尺寸最低功耗铁电晶体管问世

来源：科技日报

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记者 张佳星

“通过持续的精进工艺，我们成功将铁电晶体管的物理栅长缩减至1纳米的物理极限。”2月23日，北京大学电子学院研究员邱晨光向科技日报记者透露，其团队创造性地制备出了至今尺寸最小、功耗最低的铁电晶体管，这项突破有望为未来AI芯片的算力与能效提升提供核心器件支撑。相关研究成果已在线发表于国际权威期刊《科学·进展》。

据介绍，当前AI算力普遍面临“内存墙”问题的制约，即在运算过程中，数据的存储与运算单元处于物理分离的区域，“隔墙”调取数据严重制约了芯片性能的进一步提升。

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。“它就像大脑的神经元一样，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。”邱晨光解释道，铁电晶体管这种“存算一体”的特性更符合AI芯片的演进方向，业界已将其视为神经形态计算领域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，限制了大规其模应用。为此，北京大学邱晨光研究员与彭练矛院士团队协作，巧妙利用纳米栅极结构设计，解决了铁电材料“改变极化状态”需要高电压、高能耗的关键难题。

“我们将铁电晶体管的物理栅长精确缩减至1纳米极限，这一精度已达到原子尺度。”邱晨光表示，“这促使铁电层内部形成高强度电场，仅需极低的外部能量（0.6V电压）激发，即可轻松翻转铁电极化状态。”这项技术突破了传统铁电晶体管的物理限制，使得其能耗比国际最好水平降低了一个数量级。

“纳米栅设计就像对电场进行了一次‘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。”邱晨光进一步阐释道。具备超低工作电压与极低能耗特性的纳米栅铁电晶体管，不仅能作为构建高能效数据中心的核心解决方案，也将为发展下一代高算力人工智能芯片奠定关键技术基础。