在半導體器件的發(fā)展中，本征能帶隙直接決定了材料的電學特性，而可調諧的能帶隙為半導體器件的設計和優(yōu)化提供了額外的自由度。通過斯塔克效應可實現半導體的靜電能帶調諧。在二維材料中，石墨烯的能帶調諧僅限于特定堆疊構型，二硫化鉬僅表現出激子斯塔克效應而本征能帶隙調制微弱。相比之下，黑磷中的斯塔克效應能帶調諧非常穩(wěn)定：10 nm厚的薄片能帶隙可從290 meV下調至30 meV。這一特性已推動黑磷在光電子領域的研究（如雙柵光譜儀、中紅外光電探測器），但斯塔克效應誘導的能帶調諧與電路特性之間的關聯至今仍未明確，其在基礎電路和新興電路架構中的應用尚屬空白。

鑒于此，來自清華大學集成電路學院的任天令教授、王子明博士、田禾副教授和中北大學的郭浩教授利用黑磷中的斯塔克效應實現了數字與模擬電路應用。通過調制能帶隙，研究團隊能夠控制電流開關比和本征載流子濃度，從而實現對放大器增益和帶寬的有效調諧，以及實現二值和三值邏輯門。利用這一效應，研究團隊構建了具有電流源負載的黑磷放大器，展示了陡峭的增益調諧斜率和超過一個數量級的帶寬調制能力。此外，他們還演示了用于二元卷積神經網絡的堆疊式黑磷晶體管陣列，其性能優(yōu)于基于硅和憶阻器的電路，凸顯了其在下一代電子系統(tǒng)中的潛力。相關論文以題為“Reconfigurable and multifunctional circuits using the Stark effect in black phosphorus”發(fā)表在最新一期《nature physics》上。

斯塔克效應調制與電路應用的總體框架

圖1建立了斯塔克效應調制的物理參數、器件電學特性與電路設計需求之間的關聯。圖1a展示了這一系統(tǒng)性對應關系。基于此，研究團隊選取了模擬電路（放大器/倍頻器）和數字電路（邏輯門、二元卷積神經網絡）。圖1b,c表明，晶體管輸出電阻受本征載流子濃度控制，后者對能帶調諧高度敏感，使放大器增益和帶寬可連續(xù)電調。圖1d顯示，斯塔克效應將能帶隙調為三個不同狀態(tài)，產生分立電流水平，使單個晶體管即可實現二值與三值邏輯，大幅減少晶體管數量。

圖 1 | 斯塔克效應調制的基礎及其在電路中的應用

斯塔克效應調制雙柵黑磷晶體管中的能帶調諧

為將斯塔克效應從基礎器件物理拓展到功能性電路應用，研究團隊制備并表征了雙柵黑磷晶體管以驗證其靜電能帶可調諧性。圖2a展示了代表性器件的光學圖像，黑磷薄片（15 nm）夾在SiO?（100 nm）背柵介質和Al?O?/HfO?（15/5 nm）復合頂柵介質之間。圖2b–e的原子力顯微鏡、高分辨透射電子顯微鏡和能譜分析全面驗證了器件的結構完整性。圖2f顯示了在不同背柵電壓下，電導隨頂柵電壓的變化關系，觀察到電荷中性點的垂直和水平移動。在電荷中性點處，最小電導由本征載流子濃度和載流子遷移率決定，而本征載流子濃度與能帶隙呈指數依賴關系。圖2i繪制了有效能帶隙縮減量隨平均電位移場的變化關系，最大有效能帶隙收窄達到167 meV，且這種斯塔克效應誘導的能帶調諧在不同器件中具有高度可重復性。

圖 2 | 雙柵BP晶體管的表征與靜電能隙調控

斯塔克效應調制黑磷放大器的靜態(tài)特性

為將斯塔克效應調制轉化為電路功能，研究團隊實現了具有可調增益的黑磷放大器。如圖3b所示，通過利用高內阻的15 μA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描繪了黑磷放大器的輸出電壓曲線，峰值輸出電壓呈現垂直移動。圖3d顯示，直流增益受到背柵電壓的強烈調制，反映了斯塔克效應誘導的能帶隙調制對輸出電阻的影響。具體而言，峰值增益（背柵電壓5 V時為15.2）和最大能帶隙（背柵電壓0 V附近）出現在相近的背柵電壓條件下，證實了斯塔克效應對放大器增益的調制作用。圖3e展示了不同黑磷晶體管中歸一化峰值增益的調諧范圍與對應能帶隙縮減量之間的正相關性，驗證了基礎能帶隙調制與電路級增益控制之間的強耦合。圖3f的對比顯示，所提出的黑磷放大器表現出更寬的增益調諧范圍和更陡峭的增益-最大輸出電壓曲線斜率。

圖 3 | 斯塔克效應調制BP放大器的靜電性能

基于斯塔克效應調制的可重構模擬電路

在直流增益調制的基礎上，研究團隊進一步評估了斯塔克效應調制黑磷放大器動態(tài)性能的能力。如圖4a所示，對于100 Hz的輸入信號，在平均電位移場為0.57 V nm?1時輸出波形幅度最高；而在300 Hz時，0.99 V nm?1條件下的輸出電壓增益超過了0.57 V nm?1，這直接歸因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：將平均電位移場從0.57 V nm?1增加到1.33 V nm?1，帶寬從78.4 Hz拓寬至2.45 kHz（超過30倍），增益從26.7 dB調諧至5.1 dB。圖4d的基準測試表明，與其他二維和硅基放大器相比，所提出的斯塔克效應調制黑磷可變增益放大器表現出優(yōu)于其他二維放大器的可調諧性，其增益調諧范圍與硅基放大器相當。

此外，將黑磷晶體管的輸入電壓偏置在電荷中性點，這些放大器可重構為倍頻器。如圖4e所示，將平均電位移場從0.58 V nm?1增加到1.02 V nm?1，黑磷倍頻器的頻譜純度從72.5%提高到91.1%。圖4f的基準測試顯示，所提出的黑磷倍頻器與鐵電晶體管倍頻器相比具有更高的轉換增益和頻譜純度，與石墨烯器件頻譜純度相當，同時實現了顯著更高的轉換增益。

圖 4 | 斯塔克效應調制的BP放大器和倍頻器的動態(tài)性能

基于斯塔克效應調制黑磷晶體管的邏輯門

斯塔克效應誘導的能帶隙縮減使得通過調制離散狀態(tài)間的電流開關比來實現緊湊的數字邏輯成為可行。如圖5a所示，通過結合能帶調諧與其他物理參數（黑磷厚度和介電類型），實現了多樣化的二值和三值邏輯門。對于XNOR邏輯，采用Al?O?作為頂柵和背柵介質的黑磷晶體管實現了對稱的雙極性特性，通過正負背柵電壓的調制直接實現XNOR邏輯（圖5b）。對于NAND邏輯，利用HfO?作為柵介質誘導p型摻雜，在不同的背柵電壓區(qū)間下實現非對稱調制，從而實現了二值NAND邏輯（圖5b）。

研究進一步將這一原理拓展到三值NAND和三值NOR邏輯，利用不同的中間電流狀態(tài)。T-NAND門采用厚度大于15 nm的黑磷薄片以最大化斯塔克效應，背柵電壓的調制驅動晶體管跨越三個不同的能帶狀態(tài)，每個狀態(tài)與特定的電流開關比相關聯（圖5c）。而在厚度約8 nm的薄黑磷晶體管中，溝道電流受斯塔克效應和源/漏肖特基接觸電阻共同調制，呈現出相反的調制趨勢，實現了T-NOR邏輯（圖5c）。圖5d的比較顯示，與傳統(tǒng)多晶體管設計不同，本設計在單個器件內實現了每種邏輯功能，具有最小的占用面積。

圖 5 | 斯塔克效應調制的BP二元和三元邏輯門

用于二元卷積神經網絡的堆疊斯塔克效應調制黑磷晶體管陣列

當黑磷晶體管并聯連接時，可以根據基爾霍夫電流定律實現電流求和，從而在神經網絡中實現乘加運算。如圖6a所示，每個采用Al?O?作為頂柵和底柵介質的黑磷晶體管都作為一個XNOR邏輯門，堆疊的黑磷晶體管陣列作為二元卷積神經網絡卷積層的執(zhí)行棧，通過單晶體管XNOR邏輯和輸出電流求和執(zhí)行乘加運算。基于實驗測得的單黑磷XNOR邏輯門器件特性，研究團隊對所提出的基于黑磷晶體管的執(zhí)行棧的功耗、面積、計算密度和能效進行了仿真，并與硅基和憶阻器技術進行了公平對比（歸一化至28 nm工藝）。圖6c的基準測試總結顯示，與典型的硅基或憶阻器技術相比，所提出的基于黑磷晶體管的執(zhí)行棧表現出最佳的綜合性能，具有最小的面積、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效應調制BP晶體管陣列

總結與展望

本研究證明，雙柵黑磷晶體管中的斯塔克效應是實現多功能電路設計的強大機制。在模擬電路方面，靜電能帶調諧實現了可調諧黑磷放大器，包括增益調諧范圍達21.6 dB的電流源負載型和帶寬達37.8 kHz的晶體管負載型。此外，黑磷放大器可重構為倍頻器，通過減小能帶隙將頻譜純度提高至91.1%。在數字應用方面，單個晶體管即可實現二值（NAND/XNOR）和三值（T-NAND/T-NOR）邏輯門。利用這種緊湊的邏輯方法，研究團隊演示了用于二元卷積神經網絡的斯塔克效應調制黑磷晶體管陣列，其能效達586.56 TOPS W?1，計算密度達52.88 TOPS mm?2。隨著高質量黑磷生長技術的預期進展，所建立的從物理到電路的框架有望應用于更復雜的電路，例如斯塔克效應調制的輸出電阻可以擴展壓控振蕩器的頻率調制范圍或提高射頻電子器件的工作速度，而所展示的緊湊邏輯門也為高能效和高面積效率的數字架構（如專用處理單元）提供了有前景的基礎。