新型能谷電子器件研制成功 或可應(yīng)用于未來(lái)集成電路

隨著摩爾定律接近極限，傳統(tǒng)的晶體管器件已進(jìn)入發(fā)展瓶頸。如何利用新原理、新結(jié)構(gòu)和新材料來(lái)解決和優(yōu)化傳統(tǒng)半導(dǎo)體器件中的尺寸微縮和能耗等問(wèn)題，是后摩爾時(shí)代半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展重點(diǎn)。南京大學(xué)電子工程學(xué)院的王肖沐、施毅課題組同浙江大學(xué)的徐楊課題組以及北京計(jì)算科學(xué)研究中心合作，研制了一種在常溫下實(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的固態(tài)量子器件，成果近日發(fā)表在《自然·納米技術(shù)》雜志上。

現(xiàn)代半導(dǎo)體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。在此基礎(chǔ)上，以晶體管作為基本單元，通過(guò)控制電荷流，完成信息的處理與計(jì)算等功能。而該研究團(tuán)隊(duì)提出并實(shí)現(xiàn)的是一種“能谷自旋”晶體管新穎器件。該器件以能谷自旋自由度替代電荷作為信息編碼的載體，能谷自旋器件中數(shù)據(jù)的操作和傳輸可以不涉及電荷流，從而有望實(shí)現(xiàn)超低功耗的功能器件。

“能谷”是指半導(dǎo)體材料能量-動(dòng)量色散關(guān)系中的極值點(diǎn)，雖然人們很早意識(shí)到，能谷自旋可以像電荷或自旋等自由度一樣表達(dá)信息，但由于能谷很難通過(guò)外場(chǎng)操控，目前無(wú)法利用能谷自旋制作晶體管等器件。該團(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)合材料中的手征貝瑞曲率，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。這一能谷自旋晶體管對(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)立于電荷流進(jìn)行傳輸和調(diào)控。并且該器件單元有望通過(guò)類似于CMOS電路的構(gòu)造方式集成形成特定邏輯功能的超低功耗谷電子電路。

這項(xiàng)研究的重要意義在于，首次提出了一種室溫工作的能谷自旋的基本單元器件，這為后摩爾時(shí)代的新型谷信息器件的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)，展示了能谷信息器件應(yīng)用于未來(lái)集成電路的可能。