用于二维场效应晶体管阈值工程的范德华介电层

为什么微小的开关关系到我们的电费

你使用的每一台数字设备，从智能手机到数据中心，都依赖数十亿个称为晶体管的微小开关。随着工程师把这些开关做得越来越小、运行得越来越快，有一个顽固的问题也随之加剧：被浪费并以热量形式散失的功率。本文探讨了一种在最前沿的原子厚晶体管中控制这种损耗的新方法，即为它们的“开—关旋钮”提供精确且可重新编程的设定，可能带来更冷、更高效的电子设备。

从有前景的材料到功耗问题

近年来，只有几原子厚的超薄材料——称为二维半导体——成为了在硅遇到困难时的候选材料。它们可在大面积上制备并进行三维堆叠，承诺实现更高密度的先进芯片。但当工程师尝试将这些材料接入计算机通用的逻辑架构（CMOS）时，会遇到一个问题：晶体管往往太容易导通。它们的阈值电压——器件从“关”到“开”明显切换的点——往往不在理想位置，因此即便在“关”态也会有泄漏电流。这种持续的背景漏电会不断浪费能量，对大规模集成电路尤其有害。

为何普通绝缘层不够

要控制晶体管，需要一个栅电极并由绝缘层将其与通道隔开。在传统硅芯片中，这一层与硅中精确掺杂一起可非常精确地设定开关点。对于二维材料，常见的绝缘体如二氧化硅及其他氧化物会带来不良副作用：界面处的陷阱电荷和杂散分子会把器件推向易漏电的导通态。即便使用诸如超洁净封装层或晶体氧化物等巧妙手段通常能改善开关的陡峭度，但却不能可靠地将阈值固定到适合低功耗CMOS逻辑的正确数值。

一种新的“智能”绝缘层家族

作者转向了另一类材料：范德华介电层，它们像纸张一样层叠，并能与二维半导体形成异常干净的界面。他们系统地考察了若干候选材料，并确定了一类表现突出的双金属硫代磷酸盐，包括一种称为LiInP2S6（LIPS）的化合物。当该材料置于单层MoS2（n型晶体管）或双层WSe2（p型晶体管）之上时，它不仅仅起到绝缘作用。层内的离子——尤其是锂——在施加电场时会发生轻微漂移，并在电场移除后保持位置。这种温和的电荷重排像内置的、可调节的旋钮一样调节晶体管的阈值电压，而不会永久改变半导体本身。

可移动的离子如何成为开关点的记忆

通过对顶栅电压进行精细扫描，研究者观察到典型的滞后：晶体管的响应依赖于所施加偏置的近期历史。通过改变扫描范围、速度和温度进行详尽测试，他们表明这种行为更符合缓慢的离子迁移，而非快速的铁电翻转。在更高温度或更慢的扫描下，偏移更大，符合离子需要时间漂移并稳定下来。一旦离子重新分布，晶体管背栅的阈值电压就可以被以受控、近阶跃的方式移动。重要的是，这些编程设置在数秒到数小时内保持稳定，且在多达百万次编程循环后仍然保持耐用，表明该介电层具有鲁棒性。

把更好的开关变成更好的逻辑

借助这种离子可调的介电层，团队用MoS2和WSe2器件构建了简单的CMOS反相器，并在不同等级上对它们的阈值进行了编程。他们发现，将这些阈值的大小提高——使晶体管在应当关闭时更难导通——可以将反相器的静态功耗降低近三个数量级，降至皮瓦级，同时在调到最佳窗口内仍能保持快速切换。利用与测量校准的电路仿真，他们展示了这种可编程阈值如同内置的功率门控：在活动模式下，设置在速度与效率之间取得平衡；在休眠模式下，阈值被推到极限以几乎消除泄漏，而无需额外占用空间与速度的“睡眠”晶体管。

这对未来低功耗芯片意味着什么

通俗地说，研究表明，在超薄晶体管上添加一层薄薄的、装有可控移动离子的智能绝缘层，可以提供可靠且可调的断开开关。工程师无需永久掺杂材料或彻底重设计电路，就能对每个晶体管的唤醒与休眠点进行编程和重新编程。这种方法大幅减少了浪费的电流和热量，提供了按需管理功率的新途径，并保留了超薄半导体的优势。如果能在复杂芯片中尺度化并集成，诸如此类的范德华介电层有望推动一代不仅更小更快，而且能效显著提升的电子产品的到来。

引用: Sen, D., Ravichandran, H., Imam, S. et al. van der Waals dielectrics for threshold engineering in two-dimensional field effect transistors. Nat Commun 17, 2840 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69089-6

关键词: 二维晶体管, 阈值电压调谐, 范德华介电层, 低功耗CMOS, 离子迁移