本期分享的科研成果來(lái)自南京大學(xué)-浙江大學(xué)聯(lián)合研制的新型能谷晶體管器件，該器件可以在完全不加電壓的情況下工作，在非常低的電流下也能夠?qū)崿F(xiàn)很大的輸出信號(hào)的調(diào)控。如此神奇的固態(tài)量子器件究竟如何工作？請(qǐng)隨小編一探究竟！

研究背景

集成電路沿摩爾定律發(fā)展近50年，目前已走到5nm工藝節(jié)點(diǎn)，發(fā)展已經(jīng)減緩，其核心障礙之一是，只要有電流流過(guò)，產(chǎn)生焦耳熱，功耗的極限值就不可避免。集成電路器件主要依賴電荷實(shí)現(xiàn)對(duì)信息的表達(dá)、存儲(chǔ)、傳輸和處理，降低集成電路功耗的一條理想思路是，用其他量子自由度，替代以前的電荷來(lái)表達(dá)信息，在計(jì)算中極大減小或消除電信號(hào)產(chǎn)生的焦耳熱，在更小空間中計(jì)算更多的“0”和“1”。能谷便是一種可能的解，那么何為“能谷”呢？

學(xué)界很早便在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，“能谷”作為半導(dǎo)體材料能量-動(dòng)量色散關(guān)系中的極值點(diǎn)，其量子指標(biāo)“能谷自旋”可以像電荷或電子自旋等自由度一樣表達(dá)信息，通過(guò)能谷自旋可以實(shí)現(xiàn)超過(guò)現(xiàn)有電荷或自旋控制技術(shù)的信息存儲(chǔ)能力。但由于能谷很難通過(guò)外場(chǎng)操控，目前很難利用能谷自旋制作相應(yīng)的能谷晶體管器件。該領(lǐng)域的探索與研究則被稱為能谷電子學(xué)（valleytronics）。

南京大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院的王肖沐、施毅課題組與浙江大學(xué)的徐楊課題組以及北京計(jì)算科學(xué)研究中心共同合作，研制出一種新型能谷晶體管，可在室溫下實(shí)現(xiàn)能谷自旋流產(chǎn)生、傳輸、探測(cè)和調(diào)控等全信息處理功能。該成果以“室溫下的能谷電子晶體管”（Room-temperature valleytronic transistor）為題發(fā)表在《自然-納米技術(shù)》（Nature Nanotechnology）雜志，博士生李泠霏和北京計(jì)算科學(xué)研究中心邵磊為文章的共同第一作者, 南京大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院王肖沐教授和浙江大學(xué)信息與電子工程學(xué)院徐楊教授為該論文的共同通訊作者。

基本特性

聯(lián)合研發(fā)團(tuán)隊(duì)利用不對(duì)稱等離激元納米天線中的光學(xué)手性，實(shí)現(xiàn)電磁場(chǎng)與過(guò)渡金屬硫族化合物中能谷自旋的可控相互作用，并結(jié)合材料中的手性貝瑞曲率，在器件級(jí)別上實(shí)現(xiàn)了谷信息的產(chǎn)生、傳輸、探測(cè)和開關(guān)操作。

能谷自旋晶體管對(duì)能谷信息的注入、傳輸和探測(cè)過(guò)程進(jìn)行了優(yōu)化和改進(jìn)，使得能谷信息流得以在零偏置電壓下獨(dú)立于電流進(jìn)行傳輸和調(diào)控，實(shí)現(xiàn)在完全不加電壓的情況下工作，在非常低的電流下也能夠?qū)崿F(xiàn)很大的輸出信號(hào)的調(diào)控。

制備與測(cè)試

器件由過(guò)渡金屬硫族化合物二硫化鉬溝道，新月形不對(duì)稱金納米天線和四個(gè)金電極組成，制作在硅/二氧化硅襯底上（見(jiàn)下方示意圖），插圖說(shuō)明了在源極和漏極處光場(chǎng)在二硫化鉬中選擇性注入不同能谷自旋流的過(guò)程，以及硅背柵對(duì)能谷自旋流的開關(guān)作用，產(chǎn)生的能谷自旋流通過(guò)能谷霍爾效應(yīng)，被橫向的霍爾電極讀出，產(chǎn)生輸出信號(hào)。

圖(a)能谷晶體管結(jié)構(gòu)示意圖和工作原理；

圖(b) 能谷自旋流在二硫化鉬中產(chǎn)生的具體原理；

圖(c)典型能谷晶體管的光學(xué)圖像

圖（a)能谷自旋晶體管的掃描霍爾電壓圖像。1550nm的激光作為"能谷自旋激發(fā)源"在一個(gè)典型的能谷自旋晶體管上掃描，并記錄該位置的能谷霍爾輸出電壓。當(dāng)激光位于源或漏電極時(shí)，產(chǎn)生相反的能谷霍爾輸出信號(hào)。

圖(b)能谷霍爾輸出電壓隨偏置電壓的輸出曲線。

圖(c)能谷輸出霍爾電壓隨硫化鉬溝道電流的變化，可以看到能谷自旋流與電流無(wú)關(guān)。

圖(d)能谷晶體管的轉(zhuǎn)移特性曲線。僅靠光場(chǎng)激發(fā)，能谷晶體管的輸出電壓可以通過(guò)柵壓實(shí)現(xiàn)開關(guān)操作。由于無(wú)偏置電壓，溝道電流非常小，整個(gè)器件展示出了極低的功耗。

應(yīng)用前景

上述研究成果有望通過(guò)類似于CMOS集成電路的構(gòu)造方式集成形成特定邏輯功能的超低功耗能谷晶體管集成電路。由于該研究首次提出了一種室溫下工作的能谷自旋的基本單元器件，這為后摩爾時(shí)代的固態(tài)量子器件的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。不過(guò)小編認(rèn)為，要實(shí)現(xiàn)具有實(shí)用價(jià)值的能谷晶體管的量產(chǎn)，還需要克服許多障礙，本項(xiàng)成果更多是展示了能谷信息器件應(yīng)用于未來(lái)集成電路的一種可能的形態(tài)，具體市場(chǎng)化應(yīng)用還需要很多年的持續(xù)探索。

原文標(biāo)題：科研前線 |南京大學(xué)科研團(tuán)隊(duì)成功研制新型能谷晶體管器件

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