【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】數(shù)十年來，半導體及其異質(zhì)結構是電子學領域基礎與應用研究的基石。半導體異質(zhì)結構在電子學中的成功實踐，為自旋電子學的發(fā)展帶來重要啟示，自旋與電荷自由度的協(xié)同調(diào)控成為該領域?qū)崿F(xiàn)性能突破的核心方向：傳統(tǒng)磁性隧道結在信息存儲與傳感應用中表現(xiàn)優(yōu)異，但信息傳輸與處理效率偏低；而半導體恰好具備高效電荷輸運與信號處理能力，二者協(xié)同具有重要研究價值。當前，實現(xiàn)自旋與半導體電荷協(xié)同調(diào)控的主流途徑為化學摻雜與自旋注入，但均面臨關鍵挑戰(zhàn)：化學摻雜會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。插入隧穿勢壘雖可緩解上述問題，但會阻礙電流傳輸進而需要施加更大偏壓，最終導致器件功耗顯著增加。
近期，中國科學院半導體研究所半導體芯片物理與技術全國重點實驗室王開友研究員團隊及其合作者在《自然-通訊》(Nature Communications)發(fā)表一項新進展：基于二維半導體p-n結的磁性隧道結，在1nA偏置電流和10K低溫下實現(xiàn)1100%的巨大隧穿磁電阻效應(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。同時，研究團隊在該納米級厚度磁性隧道結中觀測到顯著的零偏壓自旋電壓異常效應，類比于隧穿磁電阻效應，自旋電壓效應被定義為SVE=|(VAP-VP)/VP|。在低溫35K下，研究團隊觀察到零偏壓自旋電壓信號變化大小比值超過30000%(如圖2c所示)，這種超大自旋信號來源于自旋向上/向下電子在結區(qū)的不對稱擴散，由p-n結的內(nèi)建電場驅(qū)動，并在結與環(huán)境持續(xù)能量交換的過程中產(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遇。
該研究在范德華異質(zhì)結構中實現(xiàn)的高效自旋注入與巨大磁電阻效應具有跨領域意義。半導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器件提供了新機遇。正如p-n結的非線性響應對早期晶體管至關重要，零偏壓反常自旋電壓效應可用于實現(xiàn)原子級厚度范德華p-n結中的自旋邏輯與信號放大。實驗中當前采用的磁場驅(qū)動方式，未來可通過自旋軌道扭矩操控鐵磁體翻轉(zhuǎn)來替代，從而實現(xiàn)非易失性磁存儲器與自旋邏輯的無縫集成。結合自旋軌道扭矩與直接帶隙范德華半導體，注入的自旋極化載流子角動量可轉(zhuǎn)化為對發(fā)射光偏振態(tài)的控制，為低功耗長距離光學自旋信息傳輸開辟新途徑。盡管自旋閥的核心關注點始終是其磁電阻特性，但改變磁化相對方向也會影響其邊緣磁場分布。若將該研究基于二維鐵磁金屬Fe3GeTe2的自旋閥與超導體構建異質(zhì)結構，此類邊緣磁場可能誘導難以實現(xiàn)的自旋三重態(tài)超導電性，通過在二維結構中構建馬約拉納態(tài)，為容錯拓撲量子計算提供多功能平臺。
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)，半導體所王開友研究員為通訊作者，朱文凱博士為第一作者。相關研究得到了國家重點研發(fā)計劃項目、國家自然科學基金的資助。
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