南京大學電子學院王肖沐/施毅團隊在新型谷電子器件方面取得最新成果

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現代半導體器件主要依賴電荷實現對信息的表達、存儲、傳輸和處理。在此基礎上，以電晶體作為基本單元，通過控制電荷流，完成信息的處理與計算等功能。然而隨著摩爾定律接近其極限，傳統的電晶體器件已進入其發展瓶頸。如何利用新原理、新結構和新材料來解決和優化傳統半導體器件中的尺寸微縮和能耗等問題是「後摩爾」時代半導體技術的發展重點。沿著這一思路，南京大學電子科學與工程學院王肖沐/施毅課題組同浙江大學信息與電子工程學院徐楊課題組以及北京計算科學研究中心緊密合作，基礎探索結合應用研究，提出和實現了一種"能谷自旋"電晶體新穎器件。該器件以能谷自旋自由度替代電荷作為信息編碼的載體，能谷自旋器件中數據的操作和傳輸可以不涉及電荷流，從而有望實現超低功耗的功能器件。

「能谷」是指半導體材料能量-動量色散關係中的極值點，雖然人們很早意識到，能谷自旋（「能谷」的量子指標）可以像電荷或自旋等自由度一樣表達信息，但由於能谷很難通過外場操控，目前很難利用能谷自旋製作電晶體等器件。合作團隊利用不對稱等離激元納米天線中的光學手性，實現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，並結合材料中的手性貝瑞曲率，在器件級別上實現了谷信息的產生、傳輸、探測和開關操作。這一能谷自旋電晶體對能谷信息的注入，傳輸和探測過程進行了優化和改進，使得能谷信息流得以在零偏置電壓下獨立於電荷流進行傳輸和調控。並且該器件單元有望通過類似於CMOS電路的構造方式集成形成特定邏輯功能的超低功耗谷電子電路。

圖1 能谷電晶體器件的示意圖。a器件由過渡金屬硫族化合物二硫化鉬溝道，新月形不對稱金納米天線和四個金電極組成，製作在矽/二氧化矽襯底上。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，以及矽背柵對能谷自旋流的開關作用。產生的能谷自旋流通過能谷霍爾效應，被橫向的霍爾電極讀出，產生輸出信號。b.能谷自旋流在二硫化鉬中產生的具體原理。

圖2 能谷電晶體測試結果。a 能谷自旋電晶體的掃描霍爾電壓圖像。1550nm的雷射作為"能谷自旋激發源"在一個典型的能谷自旋電晶體上掃描，並記錄該位置的能谷霍爾輸出電壓。當雷射位於源或漏電極時，產生相反地能谷霍爾輸出信號。b 能谷霍爾輸出電壓隨偏置電壓的輸出曲線。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。d 能谷電晶體的轉移特性曲線。僅靠光場激發，能谷電晶體的輸出電壓可以通過柵壓實現開關操作。由於無偏置電壓，溝道電流非常小，整個器件展示出了極低的功耗。

在這項工作中，合作團隊首先製作了具有霍爾電極結構的單層硫化鉬場效應電晶體。通過轉移的方式將新月形不對稱等離激元納米金天線轉移到器件上（圖1a）。在電極處，這一不對稱等離激元納米金天線的頭部和尾部分別與源漏電極對準。在等離激元共振頻率1550 nm光的照射下，新月形的等離激元納米天線可以在空間上分離具有不同自旋角動量的光子。二硫化鉬的六邊形的布裡淵區角落，具有兩種不同的能谷自旋指標。依賴不同的對準方式，在源漏電極與硫化鉬接觸的肖特基結處，不同自旋角動量的光子激發的熱電子會注入特定的能谷，從而產生一種特定能谷自旋流（圖1b）。這一谷自旋流可以通過漂移或擴散的方式進行傳輸並通過橫向的霍爾電極被讀出。類似於電荷器件，該谷電子器件也可以通過背柵進行選通和關斷。從該能谷自旋電晶體的掃描霍爾電壓圖像上（圖2a）可以看到當雷射位於源或漏電極時，會產生相反的能谷霍爾輸出信號（圖2b）。該谷霍爾電壓隨著溝道電壓的增大而接近線性的增大，符合典型的谷霍爾信號隨著偏置電壓的變化規律。而對於不在等離激元共振頻率的入射光的激發下（532 nm），沒有觀察到霍爾電壓信號。值得一提的是，在這一谷電子器件中，谷自旋流是獨立於電荷流的 （圖2c）。因此，在無偏置電壓的情況下，僅靠光場激發，能谷電晶體的仍然可以輸出霍爾電壓信號，這一信號可以通過柵壓實現開關操作。由於無偏置電壓，溝道電流非常小，整個器件展示出了極低的功耗。此外，由於不涉及到電荷流，傳統的電荷流器件在發展中遇到的很多瓶頸問題也可以得以解決。該項成果首次提出了一種室溫工作的能谷自旋的基本單元器件，這為後摩爾時代的新型谷信息器件的發展奠定了基礎，展示了能谷信息器件應用於未來集成電路的可能。

2020年7月21日，該成果以「room-temperature valleytronic transistor」為題發表在《自然·納米科技》（Nature Nanotechnology）雜誌上（DOI: https://doi.org/10.1038/s41565-020-0727-0。我電子科學與工程學院王肖沐教授和浙江大學信息與電子工程學院徐楊教授為該論文的共同通訊作者。博士生李泠霏和北京計算科學研究中心邵磊為文章的共同第一作者。我校物理學院繆峰課題組為該工作提供了實驗材料和器件製備的技術支持，電子學院餘林蔚課題組為該工作提供了實驗支持。該項研究得到人工微結構科學與技術協同創新中心和浙江省浙江大學杭州國際科創中心的支持，以及國家重點研發計劃、國家自然科學基金、中國科學院前沿科學重點研究項目、中央高校基本科研專項資金、江蘇省雙創計劃、浙江省屬基本科研業務費專項資金、浙江省自然科學基金等項目的資助。

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