“我們基於外爾半導體 Te 薄膜製備出拓撲相變電晶體，厚度大約 10 奈米，具有 108 開關比，

開態電導達到 39mA/μm，超越當前以二維材料作為溝道的電晶體。”香港理工大學應用物理系教授柴揚表示。

圖 | 柴揚（來源：柴揚）

近日，柴揚和團隊製備出一種基於碲（Te）薄膜的電晶體。其中，Te 薄膜是一種外爾半導體，其展現出優異的開關比和開態電導。在應用前景上，

對於製備基於非電荷輸運的場效應電晶體，該研究可起到一定啟發作用。

當前，場效應電晶體的發展，主要專注於藉助更先進的製造工藝得到更小的線寬。如果採用拓撲相變機制來製備電晶體，或許只需使用當前的製造工藝，就能得到高效能和低功耗。

此外，本次器件更適用於需要高效能和低熱耗散的資料中心。柴揚舉例說：“類似例子是 IBM 公司正在研發的超導晶片，其需要在很苛刻的環境下工作（如放置在 15 毫開爾文的極低溫環境），但部署用於資料中心的時候，總體效能/功耗比相對傳統矽基晶片展現出一定的優異性。”

近日，相關論文以《基於碲外爾半導體的拓撲相變電晶體》（Topological phase change transistors based on tellurium Weyl semiconductor）為題發表在 S

cience Advances

上，柴揚擔任通訊作者，陳杰威擔任第一作者［1］。

圖 | 相關論文（來源：Science Advances）

場效應電晶體：現代半導體產業最基本的電子器件

現代矽基電晶體主要基於電荷輸運機制，為了不斷提高計算效能，電晶體的尺寸持續縮小，密度也持續增加。但是，電荷輸運會受到晶格中的聲子散射併產生熱耗散，從而增加了器件功耗，並進一步影響晶片的可靠性。

我們日常使用的手機和電腦，在長時間高效能工作後，整體機身會發燙，從而觸發高溫保護。此時，晶片處理器會降低工作頻率，進而影響影片等應用的流暢程度。對於大型資料中心來說，其熱耗散更加驚人，冷卻時需要消耗大量的電能和冷卻水資源。

據柴揚統計，國內的海蘭信公司將 500 千瓦資料艙放在了廣東海域來實現冷卻效果，美國的微軟將其資料中心放置在蘇格蘭王國奧尼克附近的北海水域，利用 10 攝氏度的海水來冷卻 864 臺伺服器（共計 27。6PB 的記憶體）。儘管以上熱管理方案，在一定程度上解決了矽基電晶體熱耗散的問題，但也增加了很多額外成本。

（來源：Science Advances）

這一問題的根源是基於電荷輸運的電晶體功耗，因此為了保證器件效能的同時還能降低功耗，非常有必要探索基於非電荷傳輸的新型器件，發展基於新物理機制的低能耗電子器件。

那麼自然就得用到場效應電晶體，它是現代半導體產業最基本的電子器件，其主要基於歐姆定律的電荷輸運機制。

電晶體開態和關態的轉換，是透過靜電調控下、溝道載流子的積累和耗盡來實現的。由於存在載流子散射，傳統半導體的電荷型電晶體在工作中，往往有較多的能量以熱能的形式耗散掉。理想的場效應電晶體，應該兼具高效能和低能耗。但是，傳統電荷歐姆輸運機制的場效應電晶體，難以同時實現高效能和低能耗。

此前，澳大利亞莫納什大學原子薄材料中心研究員馬克·埃德蒙茲（Mark T。 Edmonds）等人提出，可以用電場來誘導少層 Na3Bi 薄膜的拓撲相變［2］。這一研究主要利用掃描隧道顯微鏡中的探針，來施加電場誘導相變。

然而，目前少層 Na3Bi 薄膜的物理性質研究，主要在高真空中進行。因為少層 Na3Bi 薄膜的空氣穩定性非常差，在空氣中暴露幾秒就會被氧化破壞，難以用光刻、或電子束曝光等傳統微加工方法制備器件並測試。

為此，柴揚團隊採用在空氣中穩定存在的外爾半導體 Te 薄膜，並且利用微加工技術解決了拓撲相變器件製備難題，

加工出來的的器件可在柵級電壓調控下，實現高開關比和高開態電導。

（來源：Science Advances）

利用拓撲相變電晶體，實現低功耗工作

在該研究中，柴揚等人實現了拓撲相變電晶體。據悉，拓撲材料具有低耗散的輸運特性，對聲子散射不是很敏感，很有潛力用於低功耗電子器件。

傳統的半導體具有帶隙，透過靜電調製其費米能級，能夠實現電晶體的開關。而外爾半導體——即具有傳統半導體一樣的帶隙，也具備拓撲材料的外爾點，該研究則結合了這兩者的優勢。

這樣帶來的好處是，在開態的時候，可以提供很大的低耗散拓撲電流；在關態的時候，帶隙的存在完全抑制了源漏電流。

具體工作機制是透過柵壓調控，讓外爾半導體的費米能級，在帶隙內和外爾點間移動。當費米能級移動到帶隙內，Te 薄膜處於普通半導體狀態，表現出很低的電流，從而有效地降低了靜態功耗；

當費米能級靠近外爾點，Te 薄膜處於拓撲半金屬狀態，表現出拓撲電流佔主導的開態電流，這樣大的驅動電流可以保證器件的效能，並且這個電流主要基於低耗散的拓撲輸運。

據柴揚介紹，拓撲相變電晶體實現低損耗工作，是因為在實現低關態電流的同時，開態電流由低耗散的拓撲輸運佔主導。基於拓撲輸運機制電晶體的開態電流，具有幾微米的擴散長度，而基於電荷輸運機制的電流，在傳統半導體材料矽中的平均自由程一般是幾十奈米。

談及用 Te 來實現外爾點的原因，柴揚表示，最早開始研究的拓撲材料是拓撲絕緣體，有許多文獻報道了基於拓撲絕緣體的電晶體。受限於拓撲絕緣體只有表面比較導電的特性，這種電晶體的開態電流比較低，不能滿足半導體行業的需求。

拓撲半金屬是近年來研究比較多的拓撲材料，具有非常好的導電性，但即使其費米能級遠離拓撲點，材料也會展現很高的背景電導。不能關斷的缺點，會導致較高的靜態能耗，也限制了電晶體的開關比。

Te 薄膜是一種單元素手性晶體，具有傳統半導體的能帶結構。與此同時，Te 薄膜的三維動量空間存在非間並能帶的交點，且這些交點被對稱性保護，因此這些能帶交點具有外爾點特性。所形成的的外爾點，位於距離帶隙邊很近的位置，因此可透過費米能級移動，誘導不同狀態的輸運電流。

（來源：Science Advances）

採用新物理機制來實現低耗散的場效應電晶體

對於器件來說，效能和功耗是兩大必須平衡的要素，理想情況下是實現低功耗下的高效能。受限於物理機制，電荷輸運過程中會有很強的電子-聲子散射，因此會存在焦耳熱耗散。所以，採用新物理機制來實現低耗散的場效應電晶體，非常值得探索。

超導體的傳輸過程中基本無損耗，製備成器件的話具有理想的低功耗特性，但是超導體一直處於開態很難被關斷，也很難用於製備高開關比的電晶體。

在超導體之外，柴揚把目光轉向具有拓撲特性的半金屬，以期實現基於拓撲輸運的高效能和低耗散場效應電晶體。

事實上，該課題組在 2016 年就開始了層狀 PtSe2 材料的研究［3］，但是拓撲相變電晶體實驗很不順利。由於拓撲半金屬態的 PtSe2 的具有較強的金屬性，很難用傳統固態柵介質進行柵壓調控。而採用高等效電容的離子液體作為柵介質的話，則很容易破壞溝道材料、或產生高漏電流的問題。

為解決這些問題，課題組開展一系列穩定性測試，摸索了很久才找到最優條件，實現了對 PtSe2 的穩定調控。

而由於在拓撲材料的物理特性和輸運現象缺乏豐富的經驗，他們又花大量時間逐步完善拓撲材料的表徵和測試。雖然整個課題持續時間較長，但也積累了寶貴的器件製備、測試和資料分析經驗，為後面的工作打下了基礎。

2020 年，北京大學物理學院廖志敏教授報道了透過調節拓撲半金屬的費米能級，可以實現拓撲相變，使場效應器件展現出拓撲金屬和平庸金屬佔主導的輸運特性［4］。由於半金屬具有很高的背景電導，費米能級不太好調節，因此不太適用於製備高效能的電晶體。

隨後被發現的外爾半導體 Te［5］，具有較小的背景電導，並且半導體的費米能級調節比金屬容易，更有希望用於製備高效能拓撲相伴電晶體。

因此，在拓撲半金屬 PtSe2 工作的基礎上，該團隊進一步開展外爾半導體 Te 課題的研究。有了前期的經驗，實驗進展比較順利，不僅得到了重複性好的資料，器件效能也很不錯。

與此同時，他們還開展了拓撲相分析計算、能帶結構計算、以及整體器件輸運特性模擬。實驗測試結果與理論分析共同揭示：柴揚小組的確實現了高效能的拓撲相變電晶體。

（來源：Science Advances）

“解決好小目標後，往往柳暗花明又一春”

在初步研究階段，存在較大的困難：一方面，課題組是以器件應用為主的團隊，對於拓撲輸運物理和相關測試缺乏豐富的經驗。

另一方面，他們沒有找到非常合適的材料，去實現高效能的拓撲相變電晶體，少層 Na3Bi 的空氣穩定性很差，難以製備電晶體用於測試。

這時，該團隊退而求其次，從廣泛研究的拓撲半金屬入手，嘗試製備基於低耗散輸運特性的場效應電晶體。最終將研究體系選擇為拓撲半金屬 PtSe2，他們發現與二硫化鉬等常見二維材料不同，這是一種隨著厚度變化會出現半金屬到半導體間能帶轉變的材料［3］。

基於層狀材料作為溝道的電晶體，往往展現出材料越薄、柵壓調控效果越強的特性。因此他們推測，如果使用厚度約 10 奈米的狄拉克半金屬 PtSe2 作為溝道材料，或可實現基於拓撲輸運的高效能、低耗散的場效應電晶體。

接著，他們開始進行相關實驗，由於 PtSe2 的半金屬特性較強，用傳統固態柵介質進行柵壓調控時，很難得到明顯的輸運特性變化。

經文獻調研，他們發現很多研究都採用具有高等效電容的離子液體來進行物性調控，於是也開始嘗試用離子液體 DEME-TFSI 作為柵介質。但是，實驗進行了幾個月，仍然難以解決離子液體很容易破壞溝道材料、和產生高漏電流的問題。

回過頭來，他們又開展系統性文獻調研，並進行一系列穩定性測試。幾個月摸索之後，他們找到了最優條件，實現了在柵壓調控過程中不破壞材料，漏電流只有幾十皮安，且可以有效調控 PtSe2 的電導值。

儘管論文投稿過程不太順利，但審稿人的意見也督促他們更深入地進行理論分析，同時採用多種測試方法，完成更多對比實驗，以便排除副作用的干擾。

例如，第一作者陳杰威測試了超過 20 個樣品，都得到了類似的輸運特性；同時還製備了局域和非局域構型來檢測拓撲電流；透過調節費米能級的位置，課題組實現了 1000 的開關比。

最後，這一部分成果整理成論文，發表在

Advanced Functional Materials

上［6］。這一前期工作，也為他們打下了拓撲材料的理論分析、器件製備和測試基礎。

（來源：Science Advances）

2020 年，有兩支其他團隊從材料物性角度報道了 Te 是一種外爾半導體後，柴揚覺察到這或許就是他們希望的拓撲相變材料，經過在器件製備和測試方面的細緻準備，其發現 Te 薄膜具有和文獻類似的物性資料。

因此，他們進行了系統的實驗部署，第一作者陳杰威採用了多種測試方法，最終觀測到拓撲輸運特性。基於此，課題組使用離子液體和固態離子電介質進行調控，實現了預期的特性。

與拓撲半金屬具有很高背景電導不同，當費米能級移動到 Te 薄膜的帶隙時，外爾半導體 Te 薄膜展現出很小的電導值。

因此，此次製備的拓撲相變電晶體，可在保持較高的低耗散開態電導的同時，具有非常高的開關比。

另一方面，拓撲相變電晶體在實用性和大規模製備上還需進一步提升，而這也是他們未來的努力方向。

第一作者陳杰威總結稱：“當大目標遇到難以逾越的困難時，可以考慮先從小目標著手。解決好小目標後，往往山重水複疑無路，柳暗花明又一春，會出現解決大目標的機遇。”

後續，柴揚團隊想從材料和調控兩個方面來提升：

（1）使用能帶結構更合適的材料。目前採用的 Te 薄膜，在外爾點附近存在一些平庸能帶，這些能帶也會貢獻一些平庸電流，從而影響器件的效能。2021 年，中科院院士潘建偉團隊在

Science

發表的論文裡，提出了具有理想外爾點能帶結構的材料，有利於得到乾淨的拓撲電流訊號。這一成果，也會給柴揚的後續研究帶來啟發。

（2）使用更加適用於產業界的柵介質。目前使用的是離子柵介質，不太適用於大規模電晶體工業。未來，課題組將採用非離子柵介質比如高介電常數的材料，以期實現高載流子調控效能和優異的器件效能。

-End-

參考：

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。