在半導(dǎo)體器件的發(fā)展歷程里，材料本身的本征能帶隙直接決定了其電學(xué)性能，而可調(diào)節(jié)的能帶隙能為半導(dǎo)體器件的設(shè)計與優(yōu)化提供額外的調(diào)控空間。斯塔克效應(yīng)是實現(xiàn)半導(dǎo)體靜電能帶調(diào)諧的重要途徑，在二維材料領(lǐng)域，石墨烯的能帶調(diào)諧只能在特定的堆疊結(jié)構(gòu)下實現(xiàn)，二硫化鉬僅能產(chǎn)生激子斯塔克效應(yīng)，對本征能帶隙的調(diào)制效果十分微弱。和這兩種材料相比，黑磷的斯塔克效應(yīng)能帶調(diào)諧性能格外穩(wěn)定：10納米厚度的黑磷薄片，其能帶隙可以從290毫電子伏特下調(diào)至30毫電子伏特。這一優(yōu)異特性推動了黑磷在光電子領(lǐng)域的諸多研究，比如雙柵光譜儀、中紅外光電探測器等方向，但截至目前，斯塔克效應(yīng)誘導(dǎo)的能帶調(diào)諧和電路性能之間的關(guān)聯(lián)仍不清晰，它在基礎(chǔ)電路與新型電路架構(gòu)中的應(yīng)用也還是一片空白。

針對這一研究缺口，清華大學(xué)集成電路學(xué)院任天令教授、王子明博士、田禾副教授，聯(lián)合中北大學(xué)郭浩教授，借助黑磷的斯塔克效應(yīng)成功實現(xiàn)了數(shù)字電路與模擬電路的應(yīng)用。研究團隊通過調(diào)制黑磷的能帶隙，實現(xiàn)了對電流開關(guān)比和本征載流子濃度的調(diào)控，進而可以有效調(diào)節(jié)放大器的增益和帶寬，還成功實現(xiàn)了二值與三值邏輯門?；谶@一原理，研究團隊搭建了帶有電流源負(fù)載的黑磷放大器，展現(xiàn)出陡峭的增益調(diào)諧斜率，還實現(xiàn)了超過一個數(shù)量級的帶寬調(diào)制能力。除此之外，該團隊還展示了應(yīng)用于二元卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的堆疊式黑磷晶體管陣列，其性能優(yōu)于硅基和憶阻器架構(gòu)的電路，充分展現(xiàn)了黑磷在下一代電子系統(tǒng)中的應(yīng)用潛力。相關(guān)研究論文以《Reconfigurable and multifunctional circuits using the Stark effect in black phosphorus》為題，發(fā)表在最新一期《Nature Physics》期刊上。

斯塔克效應(yīng)調(diào)制與電路應(yīng)用的總體框架

研究團隊首先建立了斯塔克效應(yīng)調(diào)制的物理參數(shù)、器件電學(xué)特性與電路設(shè)計需求之間的對應(yīng)關(guān)聯(lián)，整體對應(yīng)關(guān)系如圖1a所示?；谶@一關(guān)聯(lián)，研究團隊分別選取模擬電路（放大器、倍頻器）與數(shù)字電路（邏輯門、二元卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)）開展功能驗證。圖1b與圖1c的數(shù)據(jù)顯示，晶體管的輸出電阻受本征載流子濃度調(diào)控，而本征載流子濃度對能帶調(diào)諧的敏感度極高，這就讓放大器的增益和帶寬可以實現(xiàn)連續(xù)電調(diào)控。圖1d顯示，通過斯塔克效應(yīng)可以將黑磷的能帶隙調(diào)整為三種不同狀態(tài)，進而產(chǎn)生不同的分立電流水平，僅單個晶體管就能實現(xiàn)二值與三值邏輯，能大幅減少電路所需的晶體管數(shù)量。

圖 1 | 斯塔克效應(yīng)調(diào)制的基礎(chǔ)及其在電路中的應(yīng)用

斯塔克效應(yīng)調(diào)制雙柵黑磷晶體管中的能帶調(diào)諧

為了將斯塔克效應(yīng)從基礎(chǔ)器件物理研究拓展到功能性電路應(yīng)用，研究團隊制備并表征了雙柵黑磷晶體管，驗證了它的靜電能帶可調(diào)諧性。圖2a是本次實驗代表性器件的光學(xué)圖像，15納米厚的黑磷薄片被夾在100納米厚的SiO?背柵介質(zhì)，以及15/5納米厚的Al?O?/HfO?復(fù)合頂柵介質(zhì)之間。研究團隊通過原子力顯微鏡、高分辨透射電子顯微鏡和能譜分析（對應(yīng)圖2b-e），全面驗證了器件結(jié)構(gòu)的完整性。圖2f展示了不同背柵電壓下，電導(dǎo)隨頂柵電壓的變化規(guī)律，可以觀察到電荷中性點發(fā)生了垂直與水平方向的移動。在電荷中性點位置，最小電導(dǎo)由本征載流子濃度和載流子遷移率共同決定，而本征載流子濃度和能帶隙呈指數(shù)依賴關(guān)系。圖2i繪制了有效能帶隙縮減量隨平均電位移場的變化曲線，最大有效能帶隙收窄可達(dá)167meV，并且這種由斯塔克效應(yīng)誘導(dǎo)的能帶調(diào)諧在不同器件中都有很高的可重復(fù)性。

圖 2 | 雙柵BP晶體管的表征與靜電能隙調(diào)控

斯塔克效應(yīng)調(diào)制黑磷放大器的靜態(tài)特性

為了將斯塔克效應(yīng)調(diào)制轉(zhuǎn)化為實際電路功能，研究團隊實現(xiàn)了帶有可調(diào)增益的黑磷放大器。如圖3b所示，借助內(nèi)阻為15μA的高內(nèi)阻電流源，放大器的總輸出電阻主要由黑磷晶體管的輸出電阻決定，因此電壓增益直接由晶體管的本征增益決定。圖3c繪制了黑磷放大器的輸出電壓曲線，可以看到峰值輸出電壓呈現(xiàn)出垂直移動的特征。圖3d顯示，背柵電壓對直流增益有很強的調(diào)制作用，這也反映出斯塔克效應(yīng)誘導(dǎo)的能帶隙調(diào)制對輸出電阻的影響。具體來看，峰值增益（背柵電壓5V時為15.2）和最大能帶隙（出現(xiàn)在背柵電壓0V附近）出現(xiàn)在相近的背柵電壓條件下，證實了斯塔克效應(yīng)對放大器增益的調(diào)控作用。圖3e展示了不同黑磷晶體管中，歸一化峰值增益的調(diào)諧范圍和對應(yīng)能帶隙縮減量呈正相關(guān)，驗證了基礎(chǔ)能帶隙調(diào)制和電路級增益控制之間存在強耦合關(guān)系。圖3f的對比結(jié)果顯示，本次研究提出的黑磷放大器擁有更寬的增益調(diào)諧范圍，以及更陡峭的增益-最大輸出電壓曲線斜率。

圖 3 | 斯塔克效應(yīng)調(diào)制BP放大器的靜電性能

基于斯塔克效應(yīng)調(diào)制的可重構(gòu)模擬電路

在完成直流增益調(diào)制的驗證后，研究團隊進一步評估了斯塔克效應(yīng)調(diào)制黑磷放大器動態(tài)性能的能力。如圖4a所示，對于100Hz的輸入信號，當(dāng)平均電位移場為0.57 V nm?1時輸出波形幅度最大；而當(dāng)輸入信號頻率提升到300Hz時，平均電位移場為0.99 V nm?1條件下的輸出電壓增益超過了0.57 V nm?1條件，這一差異直接來源于低平均電位移場下的帶寬限制。圖4c展示了放大器的頻率響應(yīng)：當(dāng)平均電位移場從0.57 V nm?1提升到1.33 V nm?1，放大器的帶寬從78.4Hz拓寬到2.45kHz，拓寬幅度超過30倍，同時增益從26.7dB調(diào)整到5.1dB。圖4d的基準(zhǔn)測試顯示，和其他二維材料放大器以及硅基放大器相比，本次提出的斯塔克效應(yīng)調(diào)制黑磷可變增益放大器的可調(diào)諧性優(yōu)于其他二維材料放大器，增益調(diào)諧范圍可以和硅基放大器相當(dāng)。

除此之外，如果把黑磷晶體管的輸入電壓偏置在電荷中性點，這類放大器還可以重構(gòu)為倍頻器。如圖4e所示，將平均電位移場從0.58 V nm?1提升到1.02 V nm?1，黑磷倍頻器的頻譜純度可以從72.5%提升到91.1%。圖4f的基準(zhǔn)測試顯示，本次提出的黑磷倍頻器和鐵電晶體管倍頻器相比，擁有更高的轉(zhuǎn)換增益和頻譜純度；和石墨烯器件相比，在頻譜純度相當(dāng)?shù)那闆r下，黑磷倍頻器實現(xiàn)了遠(yuǎn)更高的轉(zhuǎn)換增益。

圖 4 | 斯塔克效應(yīng)調(diào)制的BP放大器和倍頻器的動態(tài)性能

基于斯塔克效應(yīng)調(diào)制黑磷晶體管的邏輯門

斯塔克效應(yīng)誘導(dǎo)的能帶隙縮減，讓我們可以通過調(diào)制離散狀態(tài)間的電流開關(guān)比，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)緊湊的數(shù)字邏輯電路。如圖5a所示，通過將能帶調(diào)諧和其他物理參數(shù)（黑磷厚度、介電類型）結(jié)合，研究團隊實現(xiàn)了多種二值和三值邏輯門。對于同或（XNOR）邏輯，采用Al?O?作為頂柵和背柵介質(zhì)的黑磷晶體管擁有對稱雙極性特性，通過正負(fù)背柵電壓調(diào)制就能直接實現(xiàn)XNOR邏輯（圖5b）。對于與非（NAND）邏輯，利用HfO?作為柵介質(zhì)誘導(dǎo)p型摻雜，可以在不同背柵電壓區(qū)間實現(xiàn)非對稱調(diào)制，進而實現(xiàn)二值NAND邏輯（圖5b）。

研究團隊進一步將這一原理拓展到三值NAND（T-NAND）和三值或非（T-NOR）邏輯，利用不同的中間電流狀態(tài)實現(xiàn)功能。T-NAND門采用厚度超過15納米的黑磷薄片來最大化斯塔克效應(yīng)，背柵電壓調(diào)制可以驅(qū)動晶體管切換三個不同的能帶狀態(tài)，每個狀態(tài)對應(yīng)特定的電流開關(guān)比（圖5c）。而在厚度約8納米的薄黑磷晶體管中，溝道電流受斯塔克效應(yīng)和源/漏肖特基接觸電阻共同調(diào)制，呈現(xiàn)出相反的調(diào)制趨勢，基于此實現(xiàn)了T-NOR邏輯（圖5c）。圖5d的對比結(jié)果顯示，和傳統(tǒng)的多晶體管設(shè)計不同，本次設(shè)計僅在單個器件內(nèi)就能實現(xiàn)每一種邏輯功能，擁有最小的占用面積。

圖 5 | 斯塔克效應(yīng)調(diào)制的BP二元和三元邏輯門

用于二元卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的堆疊斯塔克效應(yīng)調(diào)制黑磷晶體管陣列

當(dāng)多個黑磷晶體管并聯(lián)連接時，可以根據(jù)基爾霍夫電流定律實現(xiàn)電流求和，進而完成神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)所需的乘加運算。如圖6a所示，每個采用Al?O?作為頂柵和底柵介質(zhì)的黑磷晶體管都可以作為一個XNOR邏輯門，堆疊的黑磷晶體管陣列可以作為二元卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)卷積層的執(zhí)行棧，通過單晶體管XNOR邏輯和輸出電流求和完成乘加運算。基于實驗測得的單個黑磷XNOR邏輯門器件特性，研究團隊對提出的黑磷晶體管執(zhí)行棧的功耗、占用面積、計算密度和能效進行了仿真，并且和硅基與憶阻器技術(shù)進行了公平對比（統(tǒng)一歸一化到28nm工藝）。圖6c的基準(zhǔn)測試總結(jié)顯示，和傳統(tǒng)的硅基或憶阻器技術(shù)相比，本次提出的黑磷晶體管執(zhí)行棧展現(xiàn)出最優(yōu)的綜合性能，擁有最小的面積、最低的功耗、最高的能效（586.56 TOPS W?1）和計算密度（52.88 TOPS mm?2）。

圖 6 | 用于BCNN的堆疊Stark效應(yīng)調(diào)制BP晶體管陣列

總結(jié)與展望

本次研究證明，雙柵黑磷晶體管中的斯塔克效應(yīng)是實現(xiàn)多功能電路設(shè)計的可靠機制。在模擬電路領(lǐng)域，靜電能帶調(diào)諧實現(xiàn)了可調(diào)諧黑磷放大器，其中電流源負(fù)載型放大器的增益調(diào)諧范圍可達(dá)21.6dB，晶體管負(fù)載型放大器的帶寬可達(dá)37.8kHz。此外，黑磷放大器可以重構(gòu)為倍頻器，通過減小能帶隙可以將頻譜純度提升至91.1%。在數(shù)字電路應(yīng)用方面，單個晶體管就能實現(xiàn)二值（NAND/XNOR）和三值（T-NAND/T-NOR）邏輯門。借助這種緊湊的邏輯方案，研究團隊展示了應(yīng)用于二元卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的斯塔克效應(yīng)調(diào)制黑磷晶體管陣列，其能效可達(dá)586.56 TOPS W?1，計算密度可達(dá)52.88 TOPS mm?2。未來隨著高質(zhì)量黑磷生長技術(shù)的發(fā)展，本次研究建立的從物理原理到電路應(yīng)用的框架，有望應(yīng)用到更復(fù)雜的電路設(shè)計中：比如斯塔克效應(yīng)調(diào)制的輸出電阻可以拓展壓控振蕩器的頻率調(diào)制范圍，或是提升射頻電子器件的工作速度；而本次展示的緊湊邏輯門，也為高能效、高面積效率的數(shù)字架構(gòu)（比如專用處理單元）提供了極具前景的發(fā)展基礎(chǔ)。