复材前沿资讯：黑磷研究成果登顶Nature Physics

在半导体器件的发展历程里，材料本身的本征能带隙直接决定了其电学性能，而可调节的能带隙能为半导体器件的设计与优化提供额外的调控空间。斯塔克效应是实现半导体静电能带调谐的重要途径，在二维材料领域，石墨烯的能带调谐只能在特定的堆叠结构下实现，二硫化钼仅能产生激子斯塔克效应，对本征能带隙的调制效果十分微弱。和这两种材料相比，黑磷的斯塔克效应能带调谐性能格外稳定：10纳米厚度的黑磷薄片，其能带隙可以从290毫电子伏特下调至30毫电子伏特。这一优异特性推动了黑磷在光电子领域的诸多研究，比如双栅光谱仪、中红外光电探测器等方向，但截至目前，斯塔克效应诱导的能带调谐和电路性能之间的关联仍不清晰，它在基础电路与新型电路架构中的应用也还是一片空白。

针对这一研究缺口，清华大学集成电路学院任天令教授、王子明博士、田禾副教授，联合中北大学郭浩教授，借助黑磷的斯塔克效应成功实现了数字电路与模拟电路的应用。研究团队通过调制黑磷的能带隙，实现了对电流开关比和本征载流子浓度的调控，进而可以有效调节放大器的增益和带宽，还成功实现了二值与三值逻辑门。基于这一原理，研究团队搭建了带有电流源负载的黑磷放大器，展现出陡峭的增益调谐斜率，还实现了超过一个数量级的带宽调制能力。除此之外，该团队还展示了应用于二元卷积神经网络的堆叠式黑磷晶体管阵列，其性能优于硅基和忆阻器架构的电路，充分展现了黑磷在下一代电子系统中的应用潜力。相关研究论文以《Reconfigurable and multifunctional circuits using the Stark effect in black phosphorus》为题，发表在最新一期《Nature Physics》期刊上。

斯塔克效应调制与电路应用的总体框架

研究团队首先建立了斯塔克效应调制的物理参数、器件电学特性与电路设计需求之间的对应关联，整体对应关系如图1a所示。基于这一关联，研究团队分别选取模拟电路（放大器、倍频器）与数字电路（逻辑门、二元卷积神经网络）开展功能验证。图1b与图1c的数据显示，晶体管的输出电阻受本征载流子浓度调控，而本征载流子浓度对能带调谐的敏感度极高，这就让放大器的增益和带宽可以实现连续电调控。图1d显示，通过斯塔克效应可以将黑磷的能带隙调整为三种不同状态，进而产生不同的分立电流水平，仅单个晶体管就能实现二值与三值逻辑，能大幅减少电路所需的晶体管数量。

图 1 | 斯塔克效应调制的基础及其在电路中的应用

斯塔克效应调制双栅黑磷晶体管中的能带调谐

为了将斯塔克效应从基础器件物理研究拓展到功能性电路应用，研究团队制备并表征了双栅黑磷晶体管，验证了它的静电能带可调谐性。图2a是本次实验代表性器件的光学图像，15纳米厚的黑磷薄片被夹在100纳米厚的SiO₂背栅介质，以及15/5纳米厚的Al₂O₃/HfO₂复合顶栅介质之间。研究团队通过原子力显微镜、高分辨透射电子显微镜和能谱分析（对应图2b-e），全面验证了器件结构的完整性。图2f展示了不同背栅电压下，电导随顶栅电压的变化规律，可以观察到电荷中性点发生了垂直与水平方向的移动。在电荷中性点位置，最小电导由本征载流子浓度和载流子迁移率共同决定，而本征载流子浓度和能带隙呈指数依赖关系。图2i绘制了有效能带隙缩减量随平均电位移场的变化曲线，最大有效能带隙收窄可达167meV，并且这种由斯塔克效应诱导的能带调谐在不同器件中都有很高的可重复性。

图 2 | 双栅BP晶体管的表征与静电能隙调控

斯塔克效应调制黑磷放大器的静态特性

为了将斯塔克效应调制转化为实际电路功能，研究团队实现了带有可调增益的黑磷放大器。如图3b所示，借助内阻为15μA的高内阻电流源，放大器的总输出电阻主要由黑磷晶体管的输出电阻决定，因此电压增益直接由晶体管的本征增益决定。图3c绘制了黑磷放大器的输出电压曲线，可以看到峰值输出电压呈现出垂直移动的特征。图3d显示，背栅电压对直流增益有很强的调制作用，这也反映出斯塔克效应诱导的能带隙调制对输出电阻的影响。具体来看，峰值增益（背栅电压5V时为15.2）和最大能带隙（出现在背栅电压0V附近）出现在相近的背栅电压条件下，证实了斯塔克效应对放大器增益的调控作用。图3e展示了不同黑磷晶体管中，归一化峰值增益的调谐范围和对应能带隙缩减量呈正相关，验证了基础能带隙调制和电路级增益控制之间存在强耦合关系。图3f的对比结果显示，本次研究提出的黑磷放大器拥有更宽的增益调谐范围，以及更陡峭的增益-最大输出电压曲线斜率。

图 3 | 斯塔克效应调制BP放大器的静电性能

基于斯塔克效应调制的可重构模拟电路

在完成直流增益调制的验证后，研究团队进一步评估了斯塔克效应调制黑磷放大器动态性能的能力。如图4a所示，对于100Hz的输入信号，当平均电位移场为0.57 V nm⁻¹时输出波形幅度最大；而当输入信号频率提升到300Hz时，平均电位移场为0.99 V nm⁻¹条件下的输出电压增益超过了0.57 V nm⁻¹条件，这一差异直接来源于低平均电位移场下的带宽限制。图4c展示了放大器的频率响应：当平均电位移场从0.57 V nm⁻¹提升到1.33 V nm⁻¹，放大器的带宽从78.4Hz拓宽到2.45kHz，拓宽幅度超过30倍，同时增益从26.7dB调整到5.1dB。图4d的基准测试显示，和其他二维材料放大器以及硅基放大器相比，本次提出的斯塔克效应调制黑磷可变增益放大器的可调谐性优于其他二维材料放大器，增益调谐范围可以和硅基放大器相当。

除此之外，如果把黑磷晶体管的输入电压偏置在电荷中性点，这类放大器还可以重构为倍频器。如图4e所示，将平均电位移场从0.58 V nm⁻¹提升到1.02 V nm⁻¹，黑磷倍频器的频谱纯度可以从72.5%提升到91.1%。图4f的基准测试显示，本次提出的黑磷倍频器和铁电晶体管倍频器相比，拥有更高的转换增益和频谱纯度；和石墨烯器件相比，在频谱纯度相当的情况下，黑磷倍频器实现了远更高的转换增益。

图 4 | 斯塔克效应调制的BP放大器和倍频器的动态性能

基于斯塔克效应调制黑磷晶体管的逻辑门

斯塔克效应诱导的能带隙缩减，让我们可以通过调制离散状态间的电流开关比，实现结构紧凑的数字逻辑电路。如图5a所示，通过将能带调谐和其他物理参数（黑磷厚度、介电类型）结合，研究团队实现了多种二值和三值逻辑门。对于同或（XNOR）逻辑，采用Al₂O₃作为顶栅和背栅介质的黑磷晶体管拥有对称双极性特性，通过正负背栅电压调制就能直接实现XNOR逻辑（图5b）。对于与非（NAND）逻辑，利用HfO₂作为栅介质诱导p型掺杂，可以在不同背栅电压区间实现非对称调制，进而实现二值NAND逻辑（图5b）。

研究团队进一步将这一原理拓展到三值NAND（T-NAND）和三值或非（T-NOR）逻辑，利用不同的中间电流状态实现功能。T-NAND门采用厚度超过15纳米的黑磷薄片来最大化斯塔克效应，背栅电压调制可以驱动晶体管切换三个不同的能带状态，每个状态对应特定的电流开关比（图5c）。而在厚度约8纳米的薄黑磷晶体管中，沟道电流受斯塔克效应和源/漏肖特基接触电阻共同调制，呈现出相反的调制趋势，基于此实现了T-NOR逻辑（图5c）。图5d的对比结果显示，和传统的多晶体管设计不同，本次设计仅在单个器件内就能实现每一种逻辑功能，拥有最小的占用面积。

图 5 | 斯塔克效应调制的BP二元和三元逻辑门

用于二元卷积神经网络的堆叠斯塔克效应调制黑磷晶体管阵列

当多个黑磷晶体管并联连接时，可以根据基尔霍夫电流定律实现电流求和，进而完成神经网络所需的乘加运算。如图6a所示，每个采用Al₂O₃作为顶栅和底栅介质的黑磷晶体管都可以作为一个XNOR逻辑门，堆叠的黑磷晶体管阵列可以作为二元卷积神经网络卷积层的执行栈，通过单晶体管XNOR逻辑和输出电流求和完成乘加运算。基于实验测得的单个黑磷XNOR逻辑门器件特性，研究团队对提出的黑磷晶体管执行栈的功耗、占用面积、计算密度和能效进行了仿真，并且和硅基与忆阻器技术进行了公平对比（统一归一化到28nm工艺）。图6c的基准测试总结显示，和传统的硅基或忆阻器技术相比，本次提出的黑磷晶体管执行栈展现出最优的综合性能，拥有最小的面积、最低的功耗、最高的能效（586.56 TOPS W⁻¹）和计算密度（52.88 TOPS mm⁻²）。

图 6 | 用于BCNN的堆叠Stark效应调制BP晶体管阵列

总结与展望

本次研究证明，双栅黑磷晶体管中的斯塔克效应是实现多功能电路设计的可靠机制。在模拟电路领域，静电能带调谐实现了可调谐黑磷放大器，其中电流源负载型放大器的增益调谐范围可达21.6dB，晶体管负载型放大器的带宽可达37.8kHz。此外，黑磷放大器可以重构为倍频器，通过减小能带隙可以将频谱纯度提升至91.1%。在数字电路应用方面，单个晶体管就能实现二值（NAND/XNOR）和三值（T-NAND/T-NOR）逻辑门。借助这种紧凑的逻辑方案，研究团队展示了应用于二元卷积神经网络的斯塔克效应调制黑磷晶体管阵列，其能效可达586.56 TOPS W⁻¹，计算密度可达52.88 TOPS mm⁻²。未来随着高质量黑磷生长技术的发展，本次研究建立的从物理原理到电路应用的框架，有望应用到更复杂的电路设计中：比如斯塔克效应调制的输出电阻可以拓展压控振荡器的频率调制范围，或是提升射频电子器件的工作速度；而本次展示的紧凑逻辑门，也为高能效、高面积效率的数字架构（比如专用处理单元）提供了极具前景的发展基础。