二维半导体基自旋电子器件低功耗技术获新进展

近日，中国科学院半导体研究所半导体芯片物理与技术全国重点实验室王开友研究员带领团队，凭借成熟完善的微纳器件制备与测试设备平台，成功研发出基于二维半导体p-n结的磁性隧道结，在低功耗自旋电子器件领域拿下关键突破，为行业技术迭代与设备升级点亮了新方向。

作为电子信息产业的核心基石，自旋电子器件的低功耗化始终是行业攻关的核心命题。传统磁性隧道结虽在存储、传感领域表现亮眼，但信息处理效率偏低；而半导体的高效电荷输运能力恰好能弥补这一短板，二者的协同融合成为行业破局的关键路径。然而长期以来，化学掺杂与自旋注入两大主流技术路线均深陷瓶颈，要么破坏材料特性、降低载流子迁移率，要么受限于界面质量与电阻失配，即便通过插入隧穿势垒缓解问题，也会因增大偏压导致功耗飙升，成为制约器件产业化的核心障碍。

深耕自旋电子学领域多年的王开友研究员团队，凭借雄厚的技术积累与完备的设备支撑，给出了极具创新性的解决方案。据了解，团队依托自身搭建的全链条研究平台——从光刻、电子束刻蚀等微纳制备设备，到覆盖1.8K-300K温度范围、最高12Tesla磁场的电磁输运测试系统，再到磁光克尔成像系统与原子力显微镜，实现了从器件制备到性能表征的全流程自主可控，为实验突破提供了坚实的设备保障。

此次研究中，团队创新性构建的二维半导体p-n结磁性隧道结，展现出令人惊艳的性能指标。在仅1nA的偏置电流、10K低温环境下，器件隧穿磁电阻效应达到1100%，这一数值已逼近商用CoFeB/MgO基器件的低温最高水平（5K下1144%），意味着其在低功耗场景下具备极强的替代潜力。团队在纳米级厚度器件中观测到显著的零偏压自旋电压异常效应，35K低温下信号变化比值超30000%，这一超大信号源于p-n结内建电场驱动的电子自旋不对称扩散，为自旋信息的高效转化与放大提供了全新物理机制。

从行业应用视角来看，这项成果的价值远超基础研究范畴。王开友团队长期聚焦自旋电子器件产业化探索，已布局多项相关专利，涵盖自旋轨道矩器件、全电控磁存储器等关键方向。此次发现的零偏压反常自旋电压效应，可直接应用于原子级厚度范德华器件的自旋逻辑运算与信号放大，类比p-n结对晶体管发展的里程碑意义，有望推动自旋电子器件进入全电控、多功能的新阶段。

展望技术落地路径，团队提出的迭代方向贴合行业实际需求：当前实验采用的磁场驱动方式，未来可通过自旋轨道扭矩操控替代，实现非易失性磁存储器与自旋逻辑的无缝集成，这一突破将大幅降低器件对外部设备的依赖，优化应用场景适配性。同时，结合直接带隙范德华半导体，还可实现自旋极化载流子与光偏振态的协同调控，为低功耗长距离光学自旋信息传输开辟新赛道。

该团队的研究不仅突破了低功耗自旋电子器件的核心技术瓶颈，更彰显了完备科研设备平台对基础研究与产业转化的重要支撑作用。随着这项技术的持续迭代，有望推动自旋电子器件在存储、传感、量子计算等领域的规模化应用，为我国半导体仪器设备行业的自主化发展注入强劲动力。