本期分享的科研成果來自南京大學(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，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，通過能谷自旋可以實(shí)現(xiàn)超過現(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外場操控，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)電磁場與過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、傳輸和探測過程進(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。

制備與測試

器件由過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（見下方示意圖），插圖說明了在源極和漏極處光場在二硫化鉬中選擇性注入不同能谷自旋流的過程，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關(guān)。

圖(d)能谷晶體管的轉(zhuǎn)移特性曲線。僅靠光場激發(fā)，能谷晶體管的輸出電壓可以通過柵壓實(shí)現(xiàn)開關(guān)操作。由于無偏置電壓，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)用于未來集成電路的一種可能的形態(tài)，具體市場化應(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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