南京大学与浙江大学联合研制的新型能谷晶体管器件

本期分享的科研成果来自南京大学-浙江大学联合研制的新型能谷晶体管器件，该器件可以在完全不加电压的情况下工作，在非常低的电流下也能够实现很大的输出信号的调控。如此神奇的固态量子器件究竟如何工作？请随小编一探究竟！

研究背景

集成电路沿摩尔定律发展近50年，目前已走到5nm工艺节点，发展已经减缓，其核心障碍之一是，只要有电流流过，产生焦耳热，功耗的极限值就不可避免。集成电路器件主要依赖电荷实现对信息的表达、存储、传输和处理，降低集成电路功耗的一条理想思路是，用其他量子自由度，替代以前的电荷来表达信息，在计算中极大减小或消除电信号产生的焦耳热，在更小空间中计算更多的“0”和“1”。能谷便是一种可能的解，那么何为“能谷”呢？

学界很早便在实验中发现，“能谷”作为半导体材料能量-动量色散关系中的极值点，其量子指标“能谷自旋”可以像电荷或电子自旋等自由度一样表达信息，通过能谷自旋可以实现超过现有电荷或自旋控制技术的信息存储能力。但由于能谷很难通过外场操控，目前很难利用能谷自旋制作相应的能谷晶体管器件。该领域的探索与研究则被称为能谷电子学（valleytronics）。

南京大学电子科学与工程学院的王肖沐、施毅课题组与浙江大学的徐杨课题组以及北京计算科学研究中心共同合作，研制出一种新型能谷晶体管，可在室温下实现能谷自旋流产生、传输、探测和调控等全信息处理功能。该成果以“室温下的能谷电子晶体管”（Room-temperature valleytronic transistor）为题发表在《自然-纳米技术》（Nature Nanotechnology）杂志，博士生李泠霏和北京计算科学研究中心邵磊为文章的共同第一作者, 南京大学电子科学与工程学院王肖沐教授和浙江大学信息与电子工程学院徐杨教授为该论文的共同通讯作者。

基本特性

联合研发团队利用不对称等离激元纳米天线中的光学手性，实现电磁场与过渡金属硫族化合物中能谷自旋的可控相互作用，并结合材料中的手性贝瑞曲率，在器件级别上实现了谷信息的产生、传输、探测和开关操作。

能谷自旋晶体管对能谷信息的注入、传输和探测过程进行了优化和改进，使得能谷信息流得以在零偏置电压下独立于电流进行传输和调控，实现在完全不加电压的情况下工作，在非常低的电流下也能够实现很大的输出信号的调控。

制备与测试

器件由过渡金属硫族化合物二硫化钼沟道，新月形不对称金纳米天线和四个金电极组成，制作在硅/二氧化硅衬底上（见下方示意图），插图说明了在源极和漏极处光场在二硫化钼中选择性注入不同能谷自旋流的过程，以及硅背栅对能谷自旋流的开关作用，产生的能谷自旋流通过能谷霍尔效应，被横向的霍尔电极读出，产生输出信号。

图(a)能谷晶体管结构示意图和工作原理；

图(b) 能谷自旋流在二硫化钼中产生的具体原理；

图(c)典型能谷晶体管的光学图像

图（a)能谷自旋晶体管的扫描霍尔电压图像。1550nm的激光作为"能谷自旋激发源"在一个典型的能谷自旋晶体管上扫描，并记录该位置的能谷霍尔输出电压。当激光位于源或漏电极时，产生相反的能谷霍尔输出信号。

图(b)能谷霍尔输出电压随偏置电压的输出曲线。

图(c)能谷输出霍尔电压随硫化钼沟道电流的变化，可以看到能谷自旋流与电流无关。

图(d)能谷晶体管的转移特性曲线。仅靠光场激发，能谷晶体管的输出电压可以通过栅压实现开关操作。由于无偏置电压，沟道电流非常小，整个器件展示出了极低的功耗。

应用前景

上述研究成果有望通过类似于CMOS集成电路的构造方式集成形成特定逻辑功能的超低功耗能谷晶体管集成电路。由于该研究首次提出了一种室温下工作的能谷自旋的基本单元器件，这为后摩尔时代的固态量子器件的发展奠定了基础。不过小编认为，要实现具有实用价值的能谷晶体管的量产，还需要克服许多障碍，本项成果更多是展示了能谷信息器件应用于未来集成电路的一种可能的形态，具体市场化应用还需要很多年的持续探索。

原文标题：科研前线 |南京大学科研团队成功研制新型能谷晶体管器件

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责任编辑：haq