新型能谷電子器件研制成功 或可應用于未來集成電路

隨著摩爾定律接近極限，傳統的晶體管器件已進入發展瓶頸。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，是后摩爾時代半導體技術的發展重點。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，研制了一種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的固態量子器件，成果近日發表在《自然·納米技術》雜志上。

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，以晶體管作為基本單元，通過控制電荷流，完成信息的處理與計算等功能。而該研究團隊提出并實現的是一種“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-動量色散關系中的極值點，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，但由于能谷很難通過外場操控，目前無法利用能谷自旋制作晶體管等器件。該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，并結合材料中的手征貝瑞曲率，在器件級別上實現了谷信息的產生、傳輸、探測和開關操作。這一能谷自旋晶體管對能谷信息的注入、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于電荷流進行傳輸和調控。并且該器件單元有望通過類似于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。

這項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于未來集成電路的可能。