物理学院吕劲团队发现新型二维材料 或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注解，新型二维材料或将续写摩尔定律对晶体管的预言。他们在展望出“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，通过实验证明了这类材料存在能谷极化征象，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，相干研究近日发表在《纳米通信》上，。

吕劲说，能谷是指能带上具有螺旋特征的极值，不同能谷的电子在旋转方向上正好相反。能谷极化是指两个不同螺旋性的能谷占有电子数不相称。

二维狄拉克材料能隙被打开

吕劲透露表现，得益于极薄的尺寸和光滑的外观，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征。

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，但遗憾的是它们自己没有能隙，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仿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紧张研究手段。”

二维材料晶体管体现优秀

尽管狄拉克材料可以被打开能隙，但打开的能隙照旧知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荡。这一展望，很快被加州大学伯克利分校的科学家发表在《科学》上的实验工作所证明。

吕劲介绍，尽管理论展望的二维材料晶体管有很好的器件性能，但现实构造出的二维材料晶体管每每达不到理论预期。究其缘故原由在于二维材料难以掺杂，一样平常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，而常规的能带计算每每紧张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仿，很好地解决了二维原子晶体管界面肖特基势垒的计算题目，并且计算效果能与实验很好符合，这将有利地推动二维材料晶体管的优化。他们体系地模仿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体现，能够知足国际半导体技术线路图将来十年的必要，有望连续摩尔定律。

晶体管的发明是上个世纪最紧张的发明之一，以晶体管为基础的大规模集成电路延长了人类的智力，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仿处理二维原子晶体最成功的团队之一，吕劲团队正致力与其他实验组合作，以期将理论展望的超越常规硅基晶体管的二维材料晶体管变为实际。

原文链接：科技日报 摩尔定律难以为继？ 新型二维材料有话说

编辑：白杨