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　　在人工智能（AI）時代，傳統(tǒng)馮·諾依曼計算架構因存儲與計算單元物理分離，導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，能夠實現(xiàn)非易失性存儲與高能效矩陣計算，成為構建存算一體非馮·諾依曼架構、突破傳統(tǒng)“功耗墻”與“存儲墻”限制的關鍵方案之一。然而，鐵電氧化物薄膜材料在實際應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題，尤其在向亞5納米先進工藝節(jié)點微縮時，這些挑戰(zhàn)更加突出，嚴重制約了先進計算架構的發(fā)展與高能效芯片的實現(xiàn)。

　　2026年1月29日，北京大學化學與分子工程學院彭海琳教授研究團隊在《科學》（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.DOI: 10.1126/science.adz1655），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 ），成功實現(xiàn)了后道工藝兼容的晶圓級超薄均勻鐵電薄膜制備。針對鐵電層與半導體溝道層異質界面易受損的難題，該工作基于研究團隊自主開發(fā)的高遷移率鉍基二維半導體 Bi₂O₂Se 晶圓材料，建立了精準可控的自氧化制備方法，首次構筑出具有原子級平整界面和超薄鐵電層（單晶胞厚度，~1納米）的晶圓級鐵電/半導體異質結構，并構筑了工作電壓超低（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)級鉿基鐵電體系。并成功構建出可動態(tài)重構的存內邏輯運算電路，在CMOS常規(guī)電壓以下（＜1 V）即可實現(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，標志著二維鐵電器件性能達到了新的高度。此項成果構建了全球首個晶圓級二維鐵電材料體系，突破了后摩爾時代非馮·諾依曼架構芯片在新材料合成與異質集成方面的關鍵技術瓶頸。

　　該研究不僅可應對“超越摩爾定律”路線下新型計算架構與大規(guī)模神經(jīng)形態(tài)計算系統(tǒng)在可擴展性、可靠性和三維集成等方面的多重挑戰(zhàn)，更為開發(fā)高能效先進芯片提供了突破性材料基礎與技術路徑，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。

　　圖1. 晶圓級范德華高 κ 鐵電氧化物/高遷移率二維半導體異質結與高性能鐵電晶體管器件示意圖。

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

　　AI、云計算、大數(shù)據(jù)、5G等技術的快速發(fā)展持續(xù)推升對芯片性能的需求。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、量子隧穿等問題不斷凸顯，摩爾定律（Moore’s law）的演進速度明顯放緩。更為關鍵的是，沿用數(shù)十年的馮·諾依曼架構由于計算與存儲單元分離，數(shù)據(jù)在兩者之間頻繁搬運，形成巨大的能耗與延遲，即所謂的“功耗墻”與“存儲墻”，嚴重制約系統(tǒng)整體能效的提升。為打開這一僵局，必須發(fā)展“超越摩爾定律”的新技術路線，著力于新材料、新器件與新架構的研發(fā)與突破，來重新定義芯片的未來。

　　關鍵瓶頸：高品質鐵電材料的制備困境

　　在眾多前沿技術路徑中，鐵電材料憑借其獨特的“自發(fā)極化”特性備受關注，被視為構建下一代非馮·諾依曼架構存算一體芯片的關鍵候選。這種材料在外加電場下快速可逆切換極化狀態(tài)，并能在斷電后長期保持，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的非易失存儲，其功能類似具備“記憶”能力。鐵電晶體管（ FeFET ）具有簡單緊湊的三端器件結構，將“只算不存”的場效應晶體管中的高κ柵介質，變更為鐵電柵介質，巧妙利用鐵電材料的可快速電場調控的極化雙穩(wěn)態(tài)與非易失性存儲特征，將存儲和計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，突破“功耗墻”與“存儲墻”限制，兼具高密度、高速度和低功耗特點，非常適用于存算一體、神經(jīng)形態(tài)計算等先進領域。

　　然而，從理想到現(xiàn)實的道路充滿挑戰(zhàn)。要將鐵電材料推向產(chǎn)業(yè)化，必須解決一個關鍵瓶頸：如何實現(xiàn)高品質鐵電薄膜的可靠制備。當前，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、超薄化發(fā)展時，鉿基鐵電材料仍面臨均勻性不足、界面退極化效應顯著、厚度低于5納米時鐵電性能急劇衰退等問題。其根源在于薄膜中多相共存、結構缺陷、晶粒不均勻等深層材料難題?？梢哉f，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均勻性、超薄穩(wěn)定鐵電特性，且與現(xiàn)有半導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，推動高集成、低功耗的存算一體芯片從實驗室走向規(guī)?；瘧?。

視頻：晶圓級超薄均勻鐵電薄膜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

　　北京大學彭海琳課題組長期致力于面向芯片應用的二維材料物理化學研究，聚焦于發(fā)展“后摩爾時代”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體材料體系的基礎（Nature Nanotech. 2017, 12, 530）。隨后，課題組進一步發(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量的原生介電層/半導體異質結材料體系，高達21的高介電常數(shù)支持構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）?；谠撱G基二維半導體/高κ氧化物體系，課題組持續(xù)推進后摩爾先進架構器件，先后成功制備出全球首例外延高κ柵介質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），并實現(xiàn)了在工業(yè)襯底上外延制備可轉移的二維環(huán)柵單晶晶圓（Nature Commun. 2025, 16, 10857）。這些突破性進展攻克了二維電子學發(fā)展的關鍵科學瓶頸，為開發(fā)高性能芯片技術提供了全新路徑。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)芯片架構所面臨的“功耗墻”和“存儲墻”制約，課題組近年來一直致力于適用于非馮·諾依曼架構先進芯片的新材料體系。早在2018年，課題組便率先發(fā)現(xiàn)鉍基二維半導體Bi₂O₂Se的原生層狀高κ氧化物柵介質α-Bi₂SeO₅，并通過理論計算預測其可能具有鐵電性。然而，從理論推測到實驗證實，卻是一條充滿挑戰(zhàn)的漫漫長路。受限于材料制備、器件加工與表征技術等多重瓶頸，該推測遲遲未能獲得實驗支撐。

　　科研突破往往源于持續(xù)深耕。經(jīng)過近八年的不懈探索，課題組不僅首次在實驗上確證了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，成功實現(xiàn)了層狀α-Bi₂SeO₅超薄鐵電薄膜的晶圓級均勻制備（圖1）。該方法以鈦酸鍶或藍寶石襯底上化學氣相沉積（CVD）生長的高遷移率二維半導體Bi₂O₂Se薄膜為啟動，通過精確可控的逐層氧化，構筑出具有原子級平整銳利界面的α-Bi₂SeO₅/Bi₂O₂Se 二維鐵電/半導體異質結構，進一步氧化獲得純相α-Bi₂SeO₅薄膜。值得關注的是，憑借其獨特的范德華層狀結構，α-Bi₂SeO₅即使薄至單層（約1納米），仍能保持穩(wěn)定的面外與面內耦合鐵電性，并表現(xiàn)出適中的矯頑場（約2.5 MV cm^?1）以及高達約22 μC cm^?2的剩余極化強度。此外，α-Bi₂SeO₅具備高達24的介電常數(shù)以及超過880 K的居里溫度，預示著其在低功耗與高溫等極端環(huán)境應用的巨大潛力。

　　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無臨界尺寸限制，且具備優(yōu)異的抗退極化場能力。這使其成為實現(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的理想材料候選，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。（A）α-Bi₂SeO₅ 的范德華層狀晶體結構；（B）α-Bi₂SeO₅ 的鐵電極化態(tài)示意圖；（C）α-Bi₂SeO₅ 的鐵電兩個不同極化態(tài)的透射電鏡圖像；（D）α-Bi₂SeO₅/Bi₂O₂Se 二維鐵電/半導體異質結構晶圓及α-Bi₂SeO₅ 鐵電薄膜晶圓；（E）α-Bi₂SeO₅ 鐵電薄膜晶圓的均一性統(tǒng)計；（F）轉移到硅襯底上的 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度對比。

　　器件突破：超低工作電壓、高耐久的二維鐵電晶體管及電路

　　該研究工作通過原位氧化方法，構筑了原子級平整的二維鐵電/半導體異質結構α-Bi₂SeO₅/Bi₂O₂Se，并成功制備了晶圓級二維鐵電晶體管（FeFET）陣列（圖3）。該陣列展現(xiàn)出優(yōu)異的電學性能：器件開關比超過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。更突出的是，借助于α-Bi₂SeO₅層狀結構中獨特的抗鐵電疲勞Bi2O2骨架以及低缺陷的自氧化異質界面，F(xiàn)eFET器件在0.8 V的超低工作電壓和20 ns的高速寫入條件下，實現(xiàn)了超過1.5×10¹²次的循環(huán)耐久性，該指標已超越同類器件的工業(yè)最高水平，完全滿足云端AI計算對可靠性的嚴苛要求。此外，該FeFET器件還具備超過10年的數(shù)據(jù)保持時間、32個穩(wěn)定的多級存儲態(tài)（5 bit）以及2.8 fJ bit^?1 μm^?2的超低操作能耗，能效優(yōu)于其他存儲體系1–2個數(shù)量級。這項工作表明，α-Bi₂SeO₅ 能夠突破傳統(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)展開拓了可擴展、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FeFET的轉移曲線；（C）對應（B）中器件開/關比和存儲窗口統(tǒng)計；（D）1.5×10¹²次循環(huán)測試的FeFET轉移曲線；（E）1.5×10¹²次循環(huán)測試下FeFET的開/關態(tài)電流密度統(tǒng)計；（F）FeFET的32個多電導態(tài)演示；（G-I）二維αBi₂SeO₅/Bi₂O₂Se FeFET與其他鐵電材料及不同存儲材料體系的綜合性能對比。

　　基于上述超低電壓、超高耐久性的FeFET器件，該研究工作進一步構建出可動態(tài)重構的存內邏輯運算電路。該電路在CMOS常規(guī)低工作電壓（＜1 V）下即可實現(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中的重要應用潛力（圖4）。在未達到矯頑電場的較低柵電壓下，器件展現(xiàn)出無回滯的高性能晶體管特性，可用作常規(guī)反相器執(zhí)行邏輯運算；而當柵壓超過矯頑電場時，器件可無縫切換至非易失存儲狀態(tài)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的長期保持。這種“一器兩用”的可重構特性，顯著提升了CMOS電路的設計自由度，為構建自適應、低功耗的智能計算系統(tǒng)奠定了關鍵器件基礎。

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

　　審稿人評價認為：“該工作不僅突破了傳統(tǒng)鐵電材料的厚度微縮限制，解決了二維鐵電材料的晶圓級集成難題，也為鐵電二維電子學的發(fā)展開辟了新路徑——尤其是，Bi₂SeO₅鐵電層作為半導體Bi₂O₂Se的自然氧化物，具備天然的集成優(yōu)勢。所制備的鐵電晶體管展現(xiàn)出優(yōu)異的存儲性能和高度均一性，彰顯出顯著的應用潛力。”“這項工作將對鐵電材料和器件領域產(chǎn)生深遠影響，為鐵電二維電子學打開了大門?！?/span>

　　綜上所述，該研究在國際上首次實現(xiàn)了晶圓級超薄且均勻的二維鐵電氧化物薄膜制備，并實現(xiàn)了與高遷移率二維半導體的三維異質集成。基于該集成體系，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的存內邏輯電路，全面展示了其在未來存算一體架構中的應用潛力。

　　這項原創(chuàng)工作的核心創(chuàng)新與突破在于，首次報道了性能超越現(xiàn)有工業(yè)級鉿基鐵電材料的新型鉍基二維鐵電體系。該體系同時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、低功耗芯片技術提供了全新的材料平臺與集成路徑，也標志著在“超越摩爾”技術路線上實現(xiàn)了從材料創(chuàng)新到功能驗證的重要跨越。

　　論文信息：該論文通訊作者為北京大學化學與分子工程學院彭海琳教授、劉洪濤特聘副研究員，第一作者為北京大學化學與分子工程學院博雅博士后武欽慈、博士研究生李忠睿、北京大學前沿交叉科學研究院博士研究生韓秉辰、孫瑋玉、北京大學物理學院博士研究生劉沁紜及北京大學化學與分子工程學院博士研究生薛騁遠。該工作合作者還包括北京大學物理學院高宇南研究員和賓夕法尼亞州立大學顏丙海教授等。該工作得到了國家自然科學基金委、科技部、新基石科學基金會所設立的新基石研究員項目與科學探索獎等項目的資助，并得到了北京大學化學與分子工程學院分子材料與納米加工實驗室（MMNL）儀器平臺的支持。

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