現(xiàn)代半導(dǎo)體器件主要依賴電荷實(shí)現(xiàn)對信息的表達(dá)、存儲、傳輸和處理。在此基礎(chǔ)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(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-動量色散關(guān)系中的極值點(diǎn)，雖然人們很早意識到，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外場操控，目前很難利用能谷自旋制作晶體管等器件。合作團(tuán)隊(duì)利用不對稱等離激元納米天線中的光學(xué)手性，實(shí)現(xiàn)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(jié)合材料中的手性貝瑞曲率，在器件級別上實(shí)現(xiàn)了谷信息的產(chǎn)生、傳輸、探測和開關(guān)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(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(gè)金電極組成，制作在硅/二氧化硅襯底上。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，以及硅背柵對能谷自旋流的開關(guān)作用。產(chǎn)生的能谷自旋流通過能谷霍爾效應(yīng)，被橫向的霍爾電極讀出，產(chǎn)生輸出信號。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。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(guān)。d 能谷晶體管的轉(zhuǎn)移特性曲線。僅靠光場激發(fā)，能谷晶體管的輸出電壓可以通過柵壓實(shí)現(xiàn)開關(guān)操作。由于無偏置電壓，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)的單層硫化鉬場效應(yīng)晶體管。通過轉(zhuǎn)移的方式將新月形不對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(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，不同自旋角動量的光子激發(fā)的熱電子會注入特定的能谷，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漂移或擴(kuò)散的方式進(jìn)行傳輸并通過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)，會產(chǎn)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(guī)律。而對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。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，在無偏置電壓的情況下，僅靠光場激發(fā)，能谷晶體管的仍然可以輸出霍爾電壓信號，這一信號可以通過柵壓實(shí)現(xiàn)開關(guān)操作。由于無偏置電壓，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)杭州國際科創(chuàng)中心的支持，以及國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金、中國科學(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。