明星材料，黑磷，登上Nature physics！

在半导体器件的发展中，本征能带隙直接决定了材料的电学特性，而可调谐的能带隙为半导体器件的设计和优化提供了额外的自由度。通过斯塔克效应可实现半导体的静电能带调谐。在二维材料中，石墨烯的能带调谐仅限于特定堆叠构型，二硫化钼仅表现出激子斯塔克效应而本征能带隙调制微弱。相比之下，黑磷中的斯塔克效应能带调谐非常稳定：10 nm厚的薄片能带隙可从290 meV下调至30 meV。这一特性已推动黑磷在光电子领域的研究（如双栅光谱仪、中红外光电探测器），但斯塔克效应诱导的能带调谐与电路特性之间的关联至今仍未明确，其在基础电路和新兴电路架构中的应用尚属空白。

鉴于此，来自清华大学集成电路学院的任天令教授、王子明博士、田禾副教授和中北大学的郭浩教授利用黑磷中的斯塔克效应实现了数字与模拟电路应用。通过调制能带隙，研究团队能够控制电流开关比和本征载流子浓度，从而实现对放大器增益和带宽的有效调谐，以及实现二值和三值逻辑门。利用这一效应，研究团队构建了具有电流源负载的黑磷放大器，展示了陡峭的增益调谐斜率和超过一个数量级的带宽调制能力。此外，他们还演示了用于二元卷积神经网络的堆叠式黑磷晶体管阵列，其性能优于基于硅和忆阻器的电路，凸显了其在下一代电子系统中的潜力。相关论文以题为“Reconfigurable and multifunctional circuits using the Stark effect in black phosphorus”发表在最新一期《nature physics》上。

斯塔克效应调制与电路应用的总体框架

图1建立了斯塔克效应调制的物理参数、器件电学特性与电路设计需求之间的关联。图1a展示了这一系统性对应关系。基于此，研究团队选取了模拟电路（放大器/倍频器）和数字电路（逻辑门、二元卷积神经网络）。图1b,c表明，晶体管输出电阻受本征载流子浓度控制，后者对能带调谐高度敏感，使放大器增益和带宽可连续电调。图1d显示，斯塔克效应将能带隙调为三个不同状态，产生分立电流水平，使单个晶体管即可实现二值与三值逻辑，大幅减少晶体管数量。

图 1 | 斯塔克效应调制的基础及其在电路中的应用

斯塔克效应调制双栅黑磷晶体管中的能带调谐

为将斯塔克效应从基础器件物理拓展到功能性电路应用，研究团队制备并表征了双栅黑磷晶体管以验证其静电能带可调谐性。图2a展示了代表性器件的光学图像，黑磷薄片（15 nm）夹在SiO₂（100 nm）背栅介质和Al₂O₃/HfO₂（15/5 nm）复合顶栅介质之间。图2b–e的原子力显微镜、高分辨透射电子显微镜和能谱分析全面验证了器件的结构完整性。图2f显示了在不同背栅电压下，电导随顶栅电压的变化关系，观察到电荷中性点的垂直和水平移动。在电荷中性点处，最小电导由本征载流子浓度和载流子迁移率决定，而本征载流子浓度与能带隙呈指数依赖关系。图2i绘制了有效能带隙缩减量随平均电位移场的变化关系，最大有效能带隙收窄达到167 meV，且这种斯塔克效应诱导的能带调谐在不同器件中具有高度可重复性。

图 2 | 双栅BP晶体管的表征与静电能隙调控

斯塔克效应调制黑磷放大器的静态特性

为将斯塔克效应调制转化为电路功能，研究团队实现了具有可调增益的黑磷放大器。如图3b所示，通过利用高内阻的15 μA电流源，放大器的总输出电阻主要由黑磷晶体管的输出电阻决定，因此电压增益直接由晶体管的本征增益决定。图3c描绘了黑磷放大器的输出电压曲线，峰值输出电压呈现垂直移动。图3d显示，直流增益受到背栅电压的强烈调制，反映了斯塔克效应诱导的能带隙调制对输出电阻的影响。具体而言，峰值增益（背栅电压5 V时为15.2）和最大能带隙（背栅电压0 V附近）出现在相近的背栅电压条件下，证实了斯塔克效应对放大器增益的调制作用。图3e展示了不同黑磷晶体管中归一化峰值增益的调谐范围与对应能带隙缩减量之间的正相关性，验证了基础能带隙调制与电路级增益控制之间的强耦合。图3f的对比显示，所提出的黑磷放大器表现出更宽的增益调谐范围和更陡峭的增益-最大输出电压曲线斜率。

图 3 | 斯塔克效应调制BP放大器的静电性能

基于斯塔克效应调制的可重构模拟电路

在直流增益调制的基础上，研究团队进一步评估了斯塔克效应调制黑磷放大器动态性能的能力。如图4a所示，对于100 Hz的输入信号，在平均电位移场为0.57 V nm⁻¹时输出波形幅度最高；而在300 Hz时，0.99 V nm⁻¹条件下的输出电压增益超过了0.57 V nm⁻¹，这直接归因于低平均电位移场下的带宽限制。图4c展示了放大器的频率响应：将平均电位移场从0.57 V nm⁻¹增加到1.33 V nm⁻¹，带宽从78.4 Hz拓宽至2.45 kHz（超过30倍），增益从26.7 dB调谐至5.1 dB。图4d的基准测试表明，与其他二维和硅基放大器相比，所提出的斯塔克效应调制黑磷可变增益放大器表现出优于其他二维放大器的可调谐性，其增益调谐范围与硅基放大器相当。

此外，将黑磷晶体管的输入电压偏置在电荷中性点，这些放大器可重构为倍频器。如图4e所示，将平均电位移场从0.58 V nm⁻¹增加到1.02 V nm⁻¹，黑磷倍频器的频谱纯度从72.5%提高到91.1%。图4f的基准测试显示，所提出的黑磷倍频器与铁电晶体管倍频器相比具有更高的转换增益和频谱纯度，与石墨烯器件频谱纯度相当，同时实现了显著更高的转换增益。

图 4 | 斯塔克效应调制的BP放大器和倍频器的动态性能

基于斯塔克效应调制黑磷晶体管的逻辑门

斯塔克效应诱导的能带隙缩减使得通过调制离散状态间的电流开关比来实现紧凑的数字逻辑成为可行。如图5a所示，通过结合能带调谐与其他物理参数（黑磷厚度和介电类型），实现了多样化的二值和三值逻辑门。对于XNOR逻辑，采用Al₂O₃作为顶栅和背栅介质的黑磷晶体管实现了对称的双极性特性，通过正负背栅电压的调制直接实现XNOR逻辑（图5b）。对于NAND逻辑，利用HfO₂作为栅介质诱导p型掺杂，在不同的背栅电压区间下实现非对称调制，从而实现了二值NAND逻辑（图5b）。

研究进一步将这一原理拓展到三值NAND和三值NOR逻辑，利用不同的中间电流状态。T-NAND门采用厚度大于15 nm的黑磷薄片以最大化斯塔克效应，背栅电压的调制驱动晶体管跨越三个不同的能带状态，每个状态与特定的电流开关比相关联（图5c）。而在厚度约8 nm的薄黑磷晶体管中，沟道电流受斯塔克效应和源/漏肖特基接触电阻共同调制，呈现出相反的调制趋势，实现了T-NOR逻辑（图5c）。图5d的比较显示，与传统多晶体管设计不同，本设计在单个器件内实现了每种逻辑功能，具有最小的占用面积。

图 5 | 斯塔克效应调制的BP二元和三元逻辑门

用于二元卷积神经网络的堆叠斯塔克效应调制黑磷晶体管阵列

当黑磷晶体管并联连接时，可以根据基尔霍夫电流定律实现电流求和，从而在神经网络中实现乘加运算。如图6a所示，每个采用Al₂O₃作为顶栅和底栅介质的黑磷晶体管都作为一个XNOR逻辑门，堆叠的黑磷晶体管阵列作为二元卷积神经网络卷积层的执行栈，通过单晶体管XNOR逻辑和输出电流求和执行乘加运算。基于实验测得的单黑磷XNOR逻辑门器件特性，研究团队对所提出的基于黑磷晶体管的执行栈的功耗、面积、计算密度和能效进行了仿真，并与硅基和忆阻器技术进行了公平对比（归一化至28 nm工艺）。图6c的基准测试总结显示，与典型的硅基或忆阻器技术相比，所提出的基于黑磷晶体管的执行栈表现出最佳的综合性能，具有最小的面积、最低的功耗、最高的能效（586.56 TOPS W⁻¹）和计算密度（52.88 TOPS mm⁻²）。

图 6 | 用于BCNN的堆叠Stark效应调制BP晶体管阵列

总结与展望

本研究证明，双栅黑磷晶体管中的斯塔克效应是实现多功能电路设计的强大机制。在模拟电路方面，静电能带调谐实现了可调谐黑磷放大器，包括增益调谐范围达21.6 dB的电流源负载型和带宽达37.8 kHz的晶体管负载型。此外，黑磷放大器可重构为倍频器，通过减小能带隙将频谱纯度提高至91.1%。在数字应用方面，单个晶体管即可实现二值（NAND/XNOR）和三值（T-NAND/T-NOR）逻辑门。利用这种紧凑的逻辑方法，研究团队演示了用于二元卷积神经网络的斯塔克效应调制黑磷晶体管阵列，其能效达586.56 TOPS W⁻¹，计算密度达52.88 TOPS mm⁻²。随着高质量黑磷生长技术的预期进展，所建立的从物理到电路的框架有望应用于更复杂的电路，例如斯塔克效应调制的输出电阻可以扩展压控振荡器的频率调制范围或提高射频电子器件的工作速度，而所展示的紧凑逻辑门也为高能效和高面积效率的数字架构（如专用处理单元）提供了有前景的基础。