近日，清华大学集成电路学院田禾副教授和任天令教授团队成功将二维黑磷中的斯塔克效应带隙调控机制引入集成电路应用。团队基于该效应不仅构建出增益与带宽可大幅调控的模拟放大器，还在单个晶体管上实现了多种二进制与三进制逻辑运算，并进一步展示了面向二进制神经网络的黑磷阵列。
半导体的固有能带结构直接决定了其电子学器件的电学特性。然而，在传统的硅基电子学体系中，材料的能带结构在制造完成后便无法改变，这使得电路设计必须依循固定的能带范式，限制了电路的重构能力。尽管过去的研究发现，通过外加垂直电场引起的斯塔克效应可以实现对二维材料能带结构的调控，但如何将斯塔克效应诱导的能带调控转化为实际的电路级特性，并在电路架构创新中发挥作用，一直是半导体领域的空白与重难点。
针对这一挑战，研究团队建立了一套从“物理层(斯塔克效应)”到“器件层(调制晶体管)”再到“电路层(多功能电路)”的系统性联系(图1)。团队首先设计并制备了双栅黑磷晶体管，通过双栅极配置，成功实现了黑磷晶体管底层的能带调控，使得器件的本征载流子浓度与开关比表现出极高的电场敏感性。基于这一独特的物理特性，团队在模拟和数字电路两个维度上均取得了突破性成果。模拟电路上，研究团队构建了黑磷可变增益放大器(图2)。得益于斯塔克效应对黑磷晶体管输出电阻的强有力调控，该放大器实现了在26.7dB到5.1dB之间的增益调控和超过30倍的带宽调控(78.4 Hz至2.45 kHz)。
此外，利用黑磷本征的双极性输运，该电路在特定偏置下可重构为倍频器。由于斯塔克效应优化了传输曲线的对称性，该倍频器的频谱纯度提升至91.1%。在数字电路应用中，团队把带隙对晶体管开关比的调控，与介质层及黑磷厚度的设计相融合，在单个黑磷晶体管上成功实现了二进制逻辑(如NAND、XNOR)以及三进制逻辑(如T-NAND、T-NOR)的高效运算(图4)。相比于传统的互补金属氧化物半导体(CMOS)逻辑，这种单管逻辑门显著降低了电路所需的晶体管数量。在大规模电路上，研究团队演示了斯塔克效应调制的黑磷晶体管阵列在二进制卷积神经网络(BCNN)中的应用，该阵列可作为执行层去进行累加运算，表现出了超越传统硅基电路和忆阻器电路的能效比与面积效率，展现了其在下一代集成电路中的广阔应用前景。
研究成果以“基于黑磷中斯塔克效应的可重构和多功能电路”(Reconfigurable and multifunctional circuits using the Stark effect in black phosphorus)为题 ，于5月25日在线发表于《自然·物理》(Nature Physics)。
清华大学集成电路学院副教授田禾、2020级硕士生侯展、博士后吴凡，复旦大学2021级博士生姜婧雯为论文共同第一作者。清华大学集成电路学院教授任天令、副教授田禾、博士后王子明，中北大学教授郭浩为论文共同通讯作者。
研究得到国家自然科学基金委、北京市自然科学基金委、北京市自然科学基金-小米创新联合基金、清华大学微纳加工中心等项目和平台的支持。
