近年來，半導(dǎo)體行業(yè)總是籠罩在摩爾定律難以為繼的陰霾之下。但北京大學(xué)物理學(xué)院研究員呂勁團隊與楊金波、方哲宇團隊最新研究表明，新型二維材料或?qū)⒗m(xù)寫摩爾定律對晶體管的預(yù)言。他們在預(yù)測出“具有蜂窩狀原子排布的碳原子摻雜氮化硼(BNC)雜化材料是一種全新二維材料”后，這次發(fā)表在《納米通訊》上的研究，通過實驗證實了這類材料存在能谷極化現(xiàn)象，并具有從紫外拓展到可見光、近紅外以及遠(yuǎn)紅外波段的可調(diào)能隙功能。

呂勁告訴科技日報記者，能谷是指能帶上具有螺旋特性的極值，不同能谷的電子在旋轉(zhuǎn)方向上恰好相反。能谷極化是指兩個不同螺旋性的能谷占據(jù)電子數(shù)不相等。

二維狄拉克材料能隙被打開

呂勁告訴科技日報記者，得益于極薄的尺寸和光滑的表面，較之三維材料，二維材料具有更好的門控性能和載流子傳輸特性。

然而，以石墨烯為代表的二維狄拉克材料(包括硅烯和鍺烯)在費米面附近具有類似于光子的線性能量動量色散，雖然具有很高的載流子遷移率，遺憾的是它們本身沒有能隙，不是理想的半導(dǎo)體材料。

呂勁團隊發(fā)現(xiàn)，具有起皺結(jié)構(gòu)的單層硅烯和鍺烯可以被垂直的電場打開能隙，隨后他們用計算機巧妙模擬了處于電場下的硅烯場效應(yīng)晶體管的工作。“計算機的迅猛發(fā)展使得計算凝聚態(tài)物理和計算材料學(xué)成為重要研究手段。”

二維材料晶體管表現(xiàn)優(yōu)異

盡管狄拉克材料可以被打開能隙，但打開的能隙還是滿足不了邏輯器件的要求。

呂勁團隊發(fā)現(xiàn)，半導(dǎo)體二硫化鉬場效應(yīng)管在10納米尺寸下仍然能保持可觀的開關(guān)性能，并且具有傲視其他材料的超低亞閾值搖擺。這一預(yù)測，很快被加州大學(xué)伯克利科學(xué)家發(fā)表在《科學(xué)》上的實驗工作所證實。

呂勁介紹，盡管理論預(yù)測的二維材料晶體管有很好的器件性能，但實際構(gòu)造出的二維材料晶體管往往達(dá)不到理論預(yù)期。究其原因在于二維材料難以摻雜，一般只能用金屬與二維半導(dǎo)體直接接觸來注入電子，在金屬半導(dǎo)體界面處常常會出現(xiàn)所謂的肖特基勢壘，而常規(guī)的能帶計算往往嚴(yán)重低估了肖特基勢壘的不利影響。

呂勁團隊創(chuàng)建了量子輸運模擬，很好地解決了二維原子晶體管界面肖特基勢壘的計算問題，并且計算結(jié)果能與實驗很好吻合，這將有利地推動二維材料晶體管的優(yōu)化。他們系統(tǒng)地模擬了一系列二維半導(dǎo)體V族烯(磷烯、砷烯、銻烯)尺寸在10納米甚至5納米以下晶體管，發(fā)現(xiàn)了比二硫化鉬更好的器件表現(xiàn)，能夠滿足國際半導(dǎo)體技術(shù)線路圖未來十年的需要，有望延續(xù)摩爾定律。

晶體管的發(fā)明是上個世紀(jì)最重要的發(fā)明之一，以晶體管為基礎(chǔ)的大規(guī)模集成電路延伸了人類的智力，極大地改變了人類的生活。作為國際上運用第一性原理量子輸運模擬處理二維原子晶體國際最成功的團隊之一，呂勁團隊正致力與其他實驗組合作，以期將理論預(yù)測的超越常規(guī)硅基晶體管的二維材料晶體管變?yōu)楝F(xiàn)實。