新型二维材料或将续写摩尔定律对晶体管的预言

近年来，半导体行业总是笼罩在摩尔定律难以为继的阴霾之下。但北京大学物理学院研究员吕劲团队与杨金波、方哲宇团队最新研究表明，新型二维材料或将续写摩尔定律对晶体管的预言。他们在预测出“具有蜂窝状原子排布的碳原子掺杂氮化硼(BNC)杂化材料是一种全新二维材料”后，这次发表在《纳米通讯》上的研究，通过实验证实了这类材料存在能谷极化现象，并具有从紫外拓展到可见光、近红外以及远红外波段的可调能隙功能。

吕劲告诉科技日报记者，能谷是指能带上具有螺旋特性的极值，不同能谷的电子在旋转方向上恰好相反。能谷极化是指两个不同螺旋性的能谷占据电子数不相等。

二维狄拉克材料能隙被打开

吕劲告诉科技日报记者，得益于极薄的尺寸和光滑的表面，较之三维材料，二维材料具有更好的门控性能和载流子传输特性。

然而，以石墨烯为代表的二维狄拉克材料(包括硅烯和锗烯)在费米面附近具有类似于光子的线性能量动量色散，虽然具有很高的载流子迁移率，遗憾的是它们本身没有能隙，不是理想的半导体材料。

吕劲团队发现，具有起皱结构的单层硅烯和锗烯可以被垂直的电场打开能隙，随后他们用计算机巧妙模拟了处于电场下的硅烯场效应晶体管的工作。“计算机的迅猛发展使得计算凝聚态物理和计算材料学成为重要研究手段。”

二维材料晶体管表现优异

尽管狄拉克材料可以被打开能隙，但打开的能隙还是满足不了逻辑器件的要求。

吕劲团队发现，半导体二硫化钼场效应管在10纳米尺寸下仍然能保持可观的开关性能，并且具有傲视其他材料的超低亚阈值摇摆。这一预测，很快被加州大学伯克利科学家发表在《科学》上的实验工作所证实。

吕劲介绍，尽管理论预测的二维材料晶体管有很好的器件性能，但实际构造出的二维材料晶体管往往达不到理论预期。究其原因在于二维材料难以掺杂，一般只能用金属与二维半导体直接接触来注入电子，在金属半导体界面处常常会出现所谓的肖特基势垒，而常规的能带计算往往严重低估了肖特基势垒的不利影响。

吕劲团队创建了量子输运模拟，很好地解决了二维原子晶体管界面肖特基势垒的计算问题，并且计算结果能与实验很好吻合，这将有利地推动二维材料晶体管的优化。他们系统地模拟了一系列二维半导体V族烯(磷烯、砷烯、锑烯)尺寸在10纳米甚至5纳米以下晶体管，发现了比二硫化钼更好的器件表现，能够满足国际半导体技术线路图未来十年的需要，有望延续摩尔定律。

晶体管的发明是上个世纪最重要的发明之一，以晶体管为基础的大规模集成电路延伸了人类的智力，极大地改变了人类的生活。作为国际上运用第一性原理量子输运模拟处理二维原子晶体国际最成功的团队之一，吕劲团队正致力与其他实验组合作，以期将理论预测的超越常规硅基晶体管的二维材料晶体管变为现实。