半導(dǎo)體所在低功耗二維半導(dǎo)體基自旋電子器件領(lǐng)域取得新進(jìn)展
數(shù)十年來(lái)，半導(dǎo)體及其異質(zhì)結(jié)構(gòu)是電子學(xué)領(lǐng)域基礎(chǔ)與應(yīng)用研究的基石。半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)在電子學(xué)中的成功實(shí)踐，為自旋電子學(xué)的發(fā)展帶來(lái)重要啟示，自旋與電荷自由度的協(xié)同調(diào)控成為該領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)性能突破的核心方向：傳統(tǒng)磁性隧道結(jié)在信息存儲(chǔ)與傳感應(yīng)用中表現(xiàn)優(yōu)異，但信息傳輸與處理效率偏低；而半導(dǎo)體恰好具備高效電荷輸運(yùn)與信號(hào)處理能力，二者協(xié)同具有重要研究?jī)r(jià)值。當(dāng)前，實(shí)現(xiàn)自旋與半導(dǎo)體電荷協(xié)同調(diào)控的主流途徑為化學(xué)摻雜與自旋注入，但均面臨關(guān)鍵挑戰(zhàn)：化學(xué)摻雜會(huì)顯著降低載流子遷移率，且易破壞材料光發(fā)射特性；自旋注入則受限于界面質(zhì)量不佳與材料間電阻失配。插入隧穿勢(shì)壘雖可緩解上述問(wèn)題，但會(huì)阻礙電流傳輸進(jìn)而需要施加更大偏壓，最終導(dǎo)致器件功耗顯著增加。
近期，中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所半導(dǎo)體芯片物理與技術(shù)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室王開(kāi)友研究員團(tuán)隊(duì)及其合作者在《自然-通訊》（Nature Communications）發(fā)表一項(xiàng)新進(jìn)展：基于二維半導(dǎo)體p-n結(jié)的磁性隧道結(jié)，在1nA偏置電流和10K低溫下實(shí)現(xiàn)1100%的巨大隧穿磁電阻效應(yīng)（如圖1e所示）。該數(shù)值與商用CoFeB/MgO基的最高低溫隧穿磁電阻（5K下1144%）大小相當(dāng)。同時(shí)，研究團(tuán)隊(duì)在該納米級(jí)厚度磁性隧道結(jié)中觀測(cè)到顯著的零偏壓自旋電壓異常效應(yīng)，類比于隧穿磁電阻效應(yīng)，自旋電壓效應(yīng)被定義為SVE=|(VAP-VP)/VP|。在低溫35K下，研究團(tuán)隊(duì)觀察到零偏壓自旋電壓信號(hào)變化大小比值超過(guò)30000%（如圖2c所示），這種超大自旋信號(hào)來(lái)源于自旋向上/向下電子在結(jié)區(qū)的不對(duì)稱擴(kuò)散，由p-n結(jié)的內(nèi)建電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)，并在結(jié)與環(huán)境持續(xù)能量交換的過(guò)程中產(chǎn)生（如圖3所示）。這一發(fā)現(xiàn)揭示了轉(zhuǎn)化與放大自旋信息用于低功耗電子器件的全新機(jī)遇。
該研究在范德華異質(zhì)結(jié)構(gòu)中實(shí)現(xiàn)的高效自旋注入與巨大磁電阻效應(yīng)具有跨領(lǐng)域意義。半導(dǎo)體固有的非線性特性與二維鐵磁性的電可調(diào)性為發(fā)展全電控、多功能和低功耗電子學(xué)器件提供了新機(jī)遇。正如p-n結(jié)的非線性響應(yīng)對(duì)早期晶體管至關(guān)重要，零偏壓反常自旋電壓效應(yīng)可用于實(shí)現(xiàn)原子級(jí)厚度范德華p-n結(jié)中的自旋邏輯與信號(hào)放大。實(shí)驗(yàn)中當(dāng)前采用的磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)方式，未來(lái)可通過(guò)自旋軌道扭矩操控鐵磁體翻轉(zhuǎn)來(lái)替代，從而實(shí)現(xiàn)非易失性磁存儲(chǔ)器與自旋邏輯的無(wú)縫集成。結(jié)合自旋軌道扭矩與直接帶隙范德華半導(dǎo)體，注入的自旋極化載流子角動(dòng)量可轉(zhuǎn)化為對(duì)發(fā)射光偏振態(tài)的控制，為低功耗長(zhǎng)距離光學(xué)自旋信息傳輸開(kāi)辟新途徑。盡管自旋閥的核心關(guān)注點(diǎn)始終是其磁電阻特性，但改變磁化相對(duì)方向也會(huì)影響其邊緣磁場(chǎng)分布。若將該研究基于二維鐵磁金屬Fe3GeTe2的自旋閥與超導(dǎo)體構(gòu)建異質(zhì)結(jié)構(gòu)，此類邊緣磁場(chǎng)可能誘導(dǎo)難以實(shí)現(xiàn)的自旋三重態(tài)超導(dǎo)電性，通過(guò)在二維結(jié)構(gòu)中構(gòu)建馬約拉納態(tài)，為容錯(cuò)拓?fù)淞孔佑?jì)算提供多功能平臺(tái)。
該成果以“Two-dimensional magnetic tunnel?p-n?junctions for low-power electronics”為題，發(fā)表于《自然-通訊》（Nature Communications，https://doi.org/10.1038/s41467-025-68043-2），半導(dǎo)體所王開(kāi)友研究員為通訊作者，朱文凱博士為第一作者。相關(guān)研究得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金的資助。
圖1 | FGT/p-GaSe/n-InSe/FGT磁性隧道結(jié)中的零偏壓反常自旋電壓效應(yīng)(SVE)。a.器件結(jié)構(gòu)與測(cè)試原理示意圖。b.典型器件的光學(xué)顯微圖像。c.截面的高分辨透射電子顯微鏡圖像。d.磁化平行排列下器件A、B、C的I-V曲線。e-f.在1nA偏置電流、10K溫度下，器件A、B、C的V-B曲線分別顯示出約1100%、10%和0%的隧穿磁電阻效應(yīng)。g-h.無(wú)外加偏壓條件下，器件A、B、C在10K溫度下的V-B曲線分別顯示出約1930%、30%和0%的零偏壓反常自旋電壓效應(yīng)。i.在10K溫度下，不同器件（標(biāo)記為A、B、C、D、E、F）的零偏壓異常自旋電壓效應(yīng)隨電阻-面積乘積的變化關(guān)系。
圖 2 | 零偏壓自旋電壓效應(yīng)的溫度依賴性。a.器件A在不同溫度下的零偏壓自旋電壓效應(yīng)。b.由V-B曲線提取的零偏壓下反平行磁化電壓VAP和平行磁化電壓VP隨溫度的變化。c.由V-B曲線得出的零偏壓自旋電壓效應(yīng)及自旋累積電壓ΔV(ΔV?=?VAP?- VP) 隨溫度的變化。
圖3?| 磁性隧道結(jié)中的自旋極化輸運(yùn)。a.示意圖描繪了：(i) 平行狀態(tài)和(ii) 反平行狀態(tài)下兩個(gè)FGT電極之間的單一間隔層；(iii) 平行狀態(tài)和(iv) 反平行狀態(tài)下兩個(gè)FGT電極之間的p-n結(jié)間隔層。b.計(jì)算得到的GaSe(5 nm)/InSe(5 nm)結(jié)中自旋極化率P的分布。插圖：引起自旋電壓效應(yīng)的結(jié)內(nèi)自旋密度示意圖。c-d.(c)平行狀態(tài)和(d)反平行狀態(tài)下FGT/GaSe/InSe/FGT結(jié)的能帶示意圖。虛線表示電子自旋向上（紅色）和自旋向下（藍(lán)色）的準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)。
