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助力解决传统晶体管高功耗难题，中国科学家基于外尔半导体研发拓扑相变晶体管，2V操作...

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麻省理工科技评论-助力解决传统晶体管高功耗难题，中国科学家基于外尔半导体研发拓扑相变晶体管，2V操作电压下兼具高开关比和高开态电导

助力解决传统晶体管高功耗难题，中国科学家基于外尔半导体研发拓扑相变晶体管，2V操作电压下兼具高开关比和高开态电导
“我们基于外尔半导体 Te 薄膜制备出拓扑相变晶体管，厚度大约 10 纳米，具有 108 开关比，开态电导达到 39mA/μm，超越当前以二维材料作为沟道的晶体管。”香港理工大学应用物理系教授柴扬表示
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“我们基于外尔半导体 Te 薄膜制备出拓扑相变晶体管，厚度大约 10 纳米，具有 108 开关比，开态电导达到 39mA/μm，超越当前以二维材料作为沟道的晶体管。”香港理工大学应用物理系教授柴扬表示。

图 | 柴扬（来源：柴扬）

近日，柴扬和团队制备出一种基于碲（Te）薄膜的晶体管。其中，Te 薄膜是一种外尔半导体，其展现出优异的开关比和开态电导。在应用前景上，对于制备基于非电荷输运的场效应晶体管，该研究可起到一定启发作用。

当前，场效应晶体管的发展，主要专注于借助更先进的制造工艺得到更小的线宽。如果采用拓扑相变机制来制备晶体管，或许只需使用当前的制造工艺，就能得到高性能和低功耗。

此外，本次器件更适用于需要高性能和低热耗散的数据中心。柴扬举例说：“类似例子是 IBM 公司正在研发的超导芯片，其需要在很苛刻的环境下工作（如放置在 15 毫开尔文的极低温环境），但部署用于数据中心的时候，总体性能/功耗比相对传统硅基芯片展现出一定的优异性。”

近日，相关论文以《基于碲外尔半导体的拓扑相变晶体管》（Topological phase change transistors based on tellurium Weyl semiconductor）为题发表在 Science Advances 上，柴扬担任通讯作者，陈杰威担任第一作者[1]。

图 | 相关论文（来源：Science Advances）

场效应晶体管：现代半导体产业最基本的电子器件

现代硅基晶体管主要基于电荷输运机制，为了不断提高计算性能，晶体管的尺寸持续缩小，密度也持续增加。但是，电荷输运会受到晶格中的声子散射并产生热耗散，从而增加了器件功耗，并进一步影响芯片的可靠性。

我们日常使用的手机和电脑，在长时间高性能工作后，整体机身会发烫，从而触发高温保护。此时，芯片处理器会降低工作频率，进而影响视频等应用的流畅程度。对于大型数据中心来说，其热耗散更加惊人，冷却时需要消耗大量的电能和冷却水资源。

据柴扬统计，国内的海兰信公司将 500 千瓦数据舱放在了广东海域来实现冷却效果，美国的微软将其数据中心放置在苏格兰王国奥尼克附近的北海水域，利用 10 摄氏度的海水来冷却 864 台服务器（共计 27.6PB 的内存）。尽管以上热管理方案，在一定程度上解决了硅基晶体管热耗散的问题，但也增加了很多额外成本。

（来源：Science Advances）

这一问题的根源是基于电荷输运的晶体管功耗，因此为了保证器件性能的同时还能降低功耗，非常有必要探索基于非电荷传输的新型器件，发展基于新物理机制的低能耗电子器件。

那么自然就得用到场效应晶体管，它是现代半导体产业最基本的电子器件，其主要基于欧姆定律的电荷输运机制。

晶体管开态和关态的转换，是通过静电调控下、沟道载流子的积累和耗尽来实现的。由于存在载流子散射，传统半导体的电荷型晶体管在工作中，往往有较多的能量以热能的形式耗散掉。理想的场效应晶体管，应该兼具高性能和低能耗。但是，传统电荷欧姆输运机制的场效应晶体管，难以同时实现高性能和低能耗。

此前，澳大利亚莫纳什大学原子薄材料中心研究员马克·埃德蒙兹（Mark T. Edmonds）等人提出，可以用电场来诱导少层 Na3Bi 薄膜的拓扑相变[2]。这一研究主要利用扫描隧道显微镜中的探针，来施加电场诱导相变。

然而，目前少层 Na3Bi 薄膜的物理性质研究，主要在高真空中进行。因为少层 Na3Bi 薄膜的空气稳定性非常差，在空气中暴露几秒就会被氧化破坏，难以用光刻、或电子束曝光等传统微加工方法制备器件并测试。

为此，柴扬团队采用在空气中稳定存在的外尔半导体 Te 薄膜，并且利用微加工技术解决了拓扑相变器件制备难题，加工出来的的器件可在栅级电压调控下，实现高开关比和高开态电导。

（来源：Science Advances）

利用拓扑相变晶体管，实现低功耗工作

在该研究中，柴扬等人实现了拓扑相变晶体管。据悉，拓扑材料具有低耗散的输运特性，对声子散射不是很敏感，很有潜力用于低功耗电子器件。

传统的半导体具有带隙，通过静电调制其费米能级，能够实现晶体管的开关。而外尔半导体——即具有传统半导体一样的带隙，也具备拓扑材料的外尔点，该研究则结合了这两者的优势。

这样带来的好处是，在开态的时候，可以提供很大的低耗散拓扑电流；在关态的时候，带隙的存在完全抑制了源漏电流。

具体工作机制是通过栅压调控，让外尔半导体的费米能级，在带隙内和外尔点间移动。当费米能级移动到带隙内，Te 薄膜处于普通半导体状态，表现出很低的电流，从而有效地降低了静态功耗；

当费米能级靠近外尔点，Te 薄膜处于拓扑半金属状态，表现出拓扑电流占主导的开态电流，这样大的驱动电流可以保证器件的性能，并且这个电流主要基于低耗散的拓扑输运。

据柴扬介绍，拓扑相变晶体管实现低损耗工作，是因为在实现低关态电流的同时，开态电流由低耗散的拓扑输运占主导。基于拓扑输运机制晶体管的开态电流，具有几微米的扩散长度，而基于电荷输运机制的电流，在传统半导体材料硅中的平均自由程一般是几十纳米。

谈及用 Te 来实现外尔点的原因，柴扬表示，最早开始研究的拓扑材料是拓扑绝缘体，有许多文献报道了基于拓扑绝缘体的晶体管。受限于拓扑绝缘体只有表面比较导电的特性，这种晶体管的开态电流比较低，不能满足半导体行业的需求。

拓扑半金属是近年来研究比较多的拓扑材料，具有非常好的导电性，但即使其费米能级远离拓扑点，材料也会展现很高的背景电导。不能关断的缺点，会导致较高的静态能耗，也限制了晶体管的开关比。

Te 薄膜是一种单元素手性晶体，具有传统半导体的能带结构。与此同时，Te 薄膜的三维动量空间存在非间并能带的交点，且这些交点被对称性保护，因此这些能带交点具有外尔点特性。所形成的的外尔点，位于距离带隙边很近的位置，因此可通过费米能级移动，诱导不同状态的输运电流。

（来源：Science Advances）

采用新物理机制来实现低耗散的场效应晶体管

对于器件来说，性能和功耗是两大必须平衡的要素，理想情况下是实现低功耗下的高性能。受限于物理机制，电荷输运过程中会有很强的电子-声子散射，因此会存在焦耳热耗散。所以，采用新物理机制来实现低耗散的场效应晶体管，非常值得探索。

超导体的传输过程中基本无损耗，制备成器件的话具有理想的低功耗特性，但是超导体一直处于开态很难被关断，也很难用于制备高开关比的晶体管。

在超导体之外，柴扬把目光转向具有拓扑特性的半金属，以期实现基于拓扑输运的高性能和低耗散场效应晶体管。

事实上，该课题组在 2016 年就开始了层状 PtSe2 材料的研究[3]，但是拓扑相变晶体管实验很不顺利。由于拓扑半金属态的 PtSe2 的具有较强的金属性，很难用传统固态栅介质进行栅压调控。而采用高等效电容的离子液体作为栅介质的话，则很容易破坏沟道材料、或产生高漏电流的问题。

为解决这些问题，课题组开展一系列稳定性测试，摸索了很久才找到最优条件，实现了对 PtSe2 的稳定调控。

而由于在拓扑材料的物理特性和输运现象缺乏丰富的经验，他们又花大量时间逐步完善拓扑材料的表征和测试。虽然整个课题持续时间较长，但也积累了宝贵的器件制备、测试和数据分析经验，为后面的工作打下了基础。

2020 年，北京大学物理学院廖志敏教授报道了通过调节拓扑半金属的费米能级，可以实现拓扑相变，使场效应器件展现出拓扑金属和平庸金属占主导的输运特性[4]。由于半金属具有很高的背景电导，费米能级不太好调节，因此不太适用于制备高性能的晶体管。

随后被发现的外尔半导体 Te[5]，具有较小的背景电导，并且半导体的费米能级调节比金属容易，更有希望用于制备高性能拓扑相伴晶体管。

因此，在拓扑半金属 PtSe2 工作的基础上，该团队进一步开展外尔半导体 Te 课题的研究。有了前期的经验，实验进展比较顺利，不仅得到了重复性好的数据，器件性能也很不错。

与此同时，他们还开展了拓扑相分析计算、能带结构计算、以及整体器件输运特性仿真。实验测试结果与理论分析共同揭示：柴扬小组的确实现了高性能的拓扑相变晶体管。

（来源：Science Advances）

“解决好小目标后，往往柳暗花明又一春”

在初步研究阶段，存在较大的困难：一方面，课题组是以器件应用为主的团队，对于拓扑输运物理和相关测试缺乏丰富的经验。

另一方面，他们没有找到非常合适的材料，去实现高性能的拓扑相变晶体管，少层 Na3Bi 的空气稳定性很差，难以制备晶体管用于测试。

这时，该团队退而求其次，从广泛研究的拓扑半金属入手，尝试制备基于低耗散输运特性的场效应晶体管。最终将研究体系选择为拓扑半金属 PtSe2，他们发现与二硫化钼等常见二维材料不同，这是一种随着厚度变化会出现半金属到半导体间能带转变的材料[3]。

基于层状材料作为沟道的晶体管，往往展现出材料越薄、栅压调控效果越强的特性。因此他们推测，如果使用厚度约 10 纳米的狄拉克半金属 PtSe2 作为沟道材料，或可实现基于拓扑输运的高性能、低耗散的场效应晶体管。

接着，他们开始进行相关实验，由于 PtSe2 的半金属特性较强，用传统固态栅介质进行栅压调控时，很难得到明显的输运特性变化。

经文献调研，他们发现很多研究都采用具有高等效电容的离子液体来进行物性调控，于是也开始尝试用离子液体 DEME-TFSI 作为栅介质。但是，实验进行了几个月，仍然难以解决离子液体很容易破坏沟道材料、和产生高漏电流的问题。

回过头来，他们又开展系统性文献调研，并进行一系列稳定性测试。几个月摸索之后，他们找到了最优条件，实现了在栅压调控过程中不破坏材料，漏电流只有几十皮安，且可以有效调控 PtSe2 的电导值。

尽管论文投稿过程不太顺利，但审稿人的意见也督促他们更深入地进行理论分析，同时采用多种测试方法，完成更多对比实验，以便排除副作用的干扰。

例如，第一作者陈杰威测试了超过 20 个样品，都得到了类似的输运特性；同时还制备了局域和非局域构型来检测拓扑电流；通过调节费米能级的位置，课题组实现了 1000 的开关比。

最后，这一部分成果整理成论文，发表在 Advanced Functional Materials 上[6]。这一前期工作，也为他们打下了拓扑材料的理论分析、器件制备和测试基础。

（来源：Science Advances）

2020 年，有两支其他团队从材料物性角度报道了 Te 是一种外尔半导体后，柴扬觉察到这或许就是他们希望的拓扑相变材料，经过在器件制备和测试方面的细致准备，其发现 Te 薄膜具有和文献类似的物性数据。

因此，他们进行了系统的实验部署，第一作者陈杰威采用了多种测试方法，最终观测到拓扑输运特性。基于此，课题组使用离子液体和固态离子电介质进行调控，实现了预期的特性。

与拓扑半金属具有很高背景电导不同，当费米能级移动到 Te 薄膜的带隙时，外尔半导体 Te 薄膜展现出很小的电导值。

因此，此次制备的拓扑相变晶体管，可在保持较高的低耗散开态电导的同时，具有非常高的开关比。另一方面，拓扑相变晶体管在实用性和大规模制备上还需进一步提升，而这也是他们未来的努力方向。

第一作者陈杰威总结称：“当大目标遇到难以逾越的困难时，可以考虑先从小目标着手。解决好小目标后，往往山重水复疑无路，柳暗花明又一春，会出现解决大目标的机遇。”

后续，柴扬团队想从材料和调控两个方面来提升：

（1）使用能带结构更合适的材料。目前采用的 Te 薄膜，在外尔点附近存在一些平庸能带，这些能带也会贡献一些平庸电流，从而影响器件的性能。2021 年，中科院院士潘建伟团队在 Science 发表的论文里，提出了具有理想外尔点能带结构的材料，有利于得到干净的拓扑电流信号。这一成果，也会给柴扬的后续研究带来启发。

（2）使用更加适用于产业界的栅介质。目前使用的是离子栅介质，不太适用于大规模晶体管工业。未来，课题组将采用非离子栅介质比如高介电常数的材料，以期实现高载流子调控性能和优异的器件性能。

-End-

1、Science Advances, (2022): eabn3837.

2、Nature 564.7736 (2018): 390-394

3、Advanced Materials 29.5 (2017): 1604230

4、PRL 124.11 (2020): 116802.

5、PNAS 117.21 (2020): 11337-11343; Nature Nano 15.7 (2020): 585-591

6、Advanced Functional Materials, (2021): 2104192.


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