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(tuán)隊(duì)與楊金波、方哲宇團(tuán)隊(duì)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(shí)驗(yàn)證實(shí)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(gè)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(fèi)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(tuán)隊(duì)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(jì)算機(jī)巧妙模擬了處于電場下的硅烯場效應(yīng)晶體管的工作。“計(jì)算機(jī)的迅猛發(fā)展使得計(jì)算凝聚態(tài)物理和計(jì)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(tuán)隊(duì)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(shí)驗(yàn)工作所證實(shí)。

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(shí)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(jì)算往往嚴(yán)重低估了肖特基勢壘的不利影響。

呂勁團(tuán)隊(duì)創(chuàng)建了量子輸運(yùn)模擬，很好地解決了二維原子晶體管界面肖特基勢壘的計(jì)算問題，并且計(jì)算結(jié)果能與實(shí)驗(yàn)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(gè)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(yùn)用第一性原理量子輸運(yùn)模擬處理二維原子晶體國際最成功的團(tuán)隊(duì)之一，呂勁團(tuán)隊(duì)正致力與其他實(shí)驗(yàn)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(shí)。