新型能谷電子器件研製成功 南大新成果有望應用於未來集成電路

來源：交匯點新聞客戶端

交匯點訊隨著摩爾定律接近極限，傳統的電晶體器件已進入發展瓶頸。全世界的研究者都在尋找更小空間內具有更高計算能力的新材料。南京大學電子工程學院的王肖沐、施毅課題組同浙江大學的徐楊課題組以及北京計算科學研究中心合作，研製出一種固態量子器件，可在常溫下實現能谷自旋流產生、傳輸、探測和調控等全信息處理功能。該成果近日發表在《自然·納米技術》雜誌上。

摩爾定律為何無法逾越

摩爾定律最初起源於一篇論文《把更多零件塞到集成電路裡》，預言半導體晶片上的電晶體密度，平均每18-24個月翻一番。隨著電晶體尺度的不斷縮小，其散熱和晶片生產成本控制已經成為無法逾越的技術挑戰。 摩爾定律為何無法逾越？王肖沐告訴記者，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。「舉個例子，我們最基本的元器件叫三極體，電流通過的時候表達為『1』，電流不流通的時候表達為『0』。」基於這種二進位的信息表達邏輯，電晶體作為基本單元，通過控制電荷的流動，也就是電流，完成信息的處理與計算等功能。但是摩爾定律的一個核心障礙是，只要有電流流過導體，產生焦耳熱，功耗的極限值就不可避免。「隨著器件的集成度越來越高，其功耗也就越高，比如說最先進的CPU在全功率運作時，其功率密度幾乎跟噴氣式發動機的尾焰的功率密度是類似的。」

降低集成電路功耗的理想思路

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信息，在計算中極大減小或消除電信號產生的焦耳熱，在更小空間中計算更多的「0」和「1」。 王肖沐說，研究團隊提出並實現的是一種「能谷自旋」電晶體新穎器件。該器件是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流，從而有望實現超低功耗。 什麼是能谷？「能谷」是指半導體材料能量—動量色散關係中的極值點，能谷自旋可以利用電子的「上下」能谷自旋作為開關電晶體的狀態。比如在硫化鋅當中，能量的極值對不同的光偏振具有不同的形狀和相應，從而允許其直接識別「0」和「1」。王肖沐說，雖然人們很早意識到，能谷自旋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，目前無法利用能谷自旋製作電晶體等器件。

為新型谷信息器件發展奠定基礎

「能谷自由度的操作比較複雜，無論是光、電、熱、核磁等外場都會同時與兩個能谷發生作用，無法區別其中的粒子。」王肖沐說，傳統方法都是使用了間接、複雜的實驗手段，比如通過控制光的偏振，在極低的溫度下實現器件溝道中能谷自旋極化。而研究團隊是在器件級別上實現了能谷信息的產生、傳輸、探測和開關操作。「簡單說，就是自發地把一個個入射進來的光電子，分解為左旋和右旋，或者自旋向上和向下兩個元素。在這種光場空間分離的基礎上，讓兩種被分解出來的光電磁場和不同能谷作用，實現了能谷自由度的選擇性激發，產生能谷自旋流。通過控制能谷自旋流的打開和關斷，實現信號的開關表達。」 實驗發現，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實現很大的輸出信號的調控。器件對能谷信息的注入、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流進行傳輸和調控。 該器件單元有望通過類似於CMOS（互補金屬氧化物半導體）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。由於該研究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。 交匯點記者 楊頻萍