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我实验室郭国平研究组与合作者在硅基超高频纳米机电谐振器上取得进展

发布时间:2020-11-23

利用标准硅基半导体集成电路工艺制备的电子器件,如硅基的晶体管和纳米机电谐振器,是现代电子产业的基石。随着超大规模集成工艺技术的发展,硅基电子器件的尺寸已进入纳米尺度,将会展现出不同于经典器件的量子效应。作为纳米尺度的新型功能电子器件的代表,硅基单电子/空穴晶体管和超高频纳米机电谐振器在量子计算、精密传感等方面有广泛的应用前景。特别值得一提的是,如果硅基单空穴晶体管被悬浮起来,其自身就可以作为超高频纳米机电谐振器。这样的复合结构器件不仅可以展现出单空穴隧穿的电学输运行为,还具有优异的机械力学性能。这些优异的器件特性可以使得电学读取纳米谐振器的力学响应成为可能,对于探索载流子和机械振动的相互作用,以及机械振动的潜在量子特性有重大意义。与此同时,利用这种复合结构器件,也可以研究纳米尺度下硅材料中的压阻效应,将有助于设计新型力学传感器件。

基于这些出发点,我实验室郭国平教授研究组和瑞典乌普萨拉大学章贞教授研究组合作,设计制备了与CMOS产线工艺兼容的悬浮单空穴硅晶体管器件,该器件同时也可作为超高频纳米机电谐振器工作。这一复合器件在极低温(~20 mK)高真空环境下,展现出单空穴隧穿行为,其力学谐振频率达到3 GHz,是已报道的同类硅基器件中的最高值。同时,研究人员发现这一复合器件中,机械振动的电学读出主要依赖压阻效应,且与单空穴隧穿行为高度关联。通过对比不同驱动功率下器件的响应,他们发现器件工作在单空穴隧穿状态时,器件的压阻系数提升了一个数量级(见图1)。

图1 器件单空穴电学输运性质和力学性能表征

图2大规模可集成器件照片

该复合器件利用CMOS工艺制备,易于大规模集成(见图2)。同时,该工作也为进一步利用纳米谐振器中的声学模式,耦合硅基量子点中的载流子创造了条件。在极低温环境下,该纳米谐振器的超高谐振频率对应的热声子占据数及零点涨落已超过量子极限。随着测控技术的进一步发展,该成果也将为研究超高频声学模式的潜在量子行为,以及基于这一体系的新型杂化量子信息器件的研发提供新的途径。

这一成果近期以“A Suspended Silicon Single-Hole Transistor as an Extremely Scaled Gigahertz Nanoelectromechanical Beam Resonator”为题发表在《先进材料》(Advanced Materials)上,我校张拙之副研究员和乌普萨拉大学博士研究生胡奇涛为文章共同第一作者,我校郭国平教授,宋骧骧副研究员和乌普萨拉大学章贞教授为共同通讯作者。该工作得到了中国科技部、中国国家自然科学基金委、中国博士后科学基金会和安徽省的资助。器件制备由瑞典研究理事会(Swedish Research Council-VR),瑞典战略研究基金会(Swedish Strategic Research Foundation-SSF)和瑞典瓦伦堡基金会(Knut och Alice Wallenberg Foundation-KAW)共同资助。

论文链接:https://doi.org/10.1002/adma.202005625


(中科院量子信息重点实验室、中科院量子信息与量子科技创新研究院、科研部)