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。然而隨著摩爾定律接近其極限，傳統(tǒng)的晶體管器件已進(jìn)入其發(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題是"后摩爾"時(shí)代半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展重點(diǎn)。沿著這一思路，南京大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院王肖沐/施毅課題組同浙江大學(xué)信息與電子工程學(xué)院徐楊課題組以及北京計(jì)算科學(xué)研究中心緊密合作，基礎(chǔ)探索結(jié)合應(yīng)用研究，提出和實(shí)現(xiàn)了一種"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（"能谷"的量子指標(biāo)）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，目前很難利用能谷自旋制作晶體管等器件。合作團(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(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。

圖1 能谷晶體管器件的示意圖。a器件由過(guò)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。插圖說(shuō)明了在源極和漏極處光場(chǎng)在二硫化鉬中選擇性注入不同能谷自旋流的過(guò)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(guò)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)。b.能谷自旋流在二硫化鉬中產(chǎn)生的具體原理。

圖2 能谷晶體管測(cè)試結(jié)果。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)生相反地能谷霍爾輸出信號(hào)。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(wú)關(guān)。d 能谷晶體管的轉(zhuǎn)移特性曲線。僅靠光場(chǎng)激發(fā)，能谷晶體管的輸出電壓可以通過(guò)柵壓實(shí)現(xiàn)開關(guān)操作。由于無(wú)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。

在這項(xiàng)工作中，合作團(tuán)隊(duì)首先制作了具有霍爾電極結(jié)構(gòu)的單層硫化鉬場(chǎng)效應(yīng)晶體管。通過(guò)轉(zhuǎn)移的方式將新月形不對(duì)稱等離激元納米金天線轉(zhuǎn)移到器件上（圖1a）。在電極處，這一不對(duì)稱等離激元納米金天線的頭部和尾部分別與源漏電極對(duì)準(zhǔn)。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(dòng)量的光子。二硫化鉬的六邊形的布里淵區(qū)角落，具有兩種不同的能谷自旋指標(biāo)。依賴不同的對(duì)準(zhǔn)方式，在源漏電極與硫化鉬接觸的肖特基結(jié)處，不同自旋角動(dòng)量的光子激發(fā)的熱電子會(huì)注入特定的能谷，從而產(chǎn)生一種特定能谷自旋流（圖1b）。這一谷自旋流可以通過(guò)漂移或擴(kuò)散的方式進(jìn)行傳輸并通過(guò)橫向的霍爾電極被讀出。類似于電荷器件，該谷電子器件也可以通過(guò)背柵進(jìn)行選通和關(guān)斷。從該能谷自旋晶體管的掃描霍爾電壓圖像上（圖2a）可以看到當(dāng)激光位于源或漏電極時(shí)，會(huì)產(chǎn)生相反的能谷霍爾輸出信號(hào)（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(hào)隨著偏置電壓的變化規(guī)律。而對(duì)于不在等離激元共振頻率的入射光的激發(fā)下（532 nm），沒有觀察到霍爾電壓信號(hào)。值得一提的是，在這一谷電子器件中，谷自旋流是獨(dú)立于電荷流的 （圖2c）。因此，在無(wú)偏置電壓的情況下，僅靠光場(chǎng)激發(fā)，能谷晶體管的仍然可以輸出霍爾電壓信號(hào)，這一信號(hào)可以通過(guò)柵壓實(shí)現(xiàn)開關(guān)操作。由于無(wú)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。此外，由于不涉及到電荷流，傳統(tǒng)的電荷流器件在發(fā)展中遇到的很多瓶頸問題也可以得以解決。該項(xiàng)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。

2020年7月21日，該成果以"room-temperature valleytronic transistor"為題發(fā)表在《自然·納米科技》（Nature Nanotechnology）雜志上（DOI: https://doi.org/10.1038/s41565-020-0727-0。我電子科學(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。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。我校物理學(xué)院繆峰課題組為該工作提供了實(shí)驗(yàn)材料和器件制備的技術(shù)支持，電子學(xué)院余林蔚課題組為該工作提供了實(shí)驗(yàn)支持。該項(xiàng)研究得到人工微結(jié)構(gòu)科學(xué)與技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心和浙江省浙江大學(xué)杭州國(guó)際科創(chuàng)中心的支持，以及國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、中國(guó)科學(xué)院前沿科學(xué)重點(diǎn)研究項(xiàng)目、中央高校基本科研專項(xiàng)資金、江蘇省雙創(chuàng)計(jì)劃、浙江省屬基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金、浙江省自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的資助。