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新能源谷电子器件的发展可能用于未来的集成电

新能源谷电子器件的发展可能用于未来的集成电

随着摩尔定律接近极限,传统晶体管器件进入了增长瓶颈。如何利用新的原理、新的结构和新的材料来解决和优化传统半导体器件的尺寸减小和能耗问题,是后摩尔时代半导体技术的增长焦点。南京大学电子工程学院的王和石毅,浙江大学的和北京计算科学研究中心共同研制了一种固态量子器件,可以实现室温下能谷自旋流的产生、传输、探测和调控等所有信息处理的惩罚效应。结果公布在《自然纳米技术》杂志上。

现代半导体器件主要依靠电荷来惩罚信息的表达、存储、传输和处理。在此基础上,以晶体管为基本单元,通过控制电荷流量来完成信息处理、惩罚和计算等功能。研究小组提出并实现了一种新型的“能谷自旋”晶体管器件。在该装置中,能谷自旋自由度取代电荷作为信息编码的载体。能量谷自旋器件中数据的操作和传输可以不涉及电荷流,因此有望实现超低功率效率器件。

“能谷”是指半导体材料的能量-动量色散关系中的极值点。虽然人们很早就意识到能量谷自旋可以表达电荷或自旋等自由度等信息,但很难通过外场来控制能量谷。现在已经不可能用能谷自旋来制造晶体管等器件了。该团队利用差分池等离子体纳米天线中的光学手性,实现了过渡金属硫族化合物中电磁场与能谷自旋之间的可控相互作用,并结合材料中的手性贝里曲率,实现了器件级能谷信息的产生、传输、检测和开关。这种能谷自旋晶体管优化和创新了能谷信息注入、传输和检测的过程,使得能谷信息流在零偏置电压下独立于电荷流进行传输和调节。此外,该器件单元有望通过类似于CMOS电路的结构集成到具有特定逻辑功效的超低功率谷值电子电路中。

本研究的意义在于首次提出了室温下能谷自旋的基本单位器件,为后摩尔时代新的能谷信息器件的生长奠定了基础,并展示了将能谷信息器件应用于未来集成电路的可能性。(实习生冀天宇记者张伟)

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