前沿：基于悬浮单空穴硅晶体管的可扩展型超高频纳米机电谐振器的研究

来源：两江科技评论

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，中国科大郭国平教授团队和瑞典乌普萨拉大学章贞教授团队合作，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。

这一成果近期发表在Advanced Materials 上，中国科大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，中国科大郭国平教授、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。

导师介绍

章贞教授2000年本科毕业于中国科学技术大学，2003年硕士毕业于中国科学院上海硅酸盐研究所，2008年博士毕业于瑞典皇家理工学院微电子专业。同年加入IBM纽约沃森研究院(T J Watson Research Center)做博士后研究，并于2010年取得沃森研究院终身研究员职位进行极大规模集成电路技术研究开发。2013年他获得瑞典Ingvar Carlsson Award 资助加入乌普萨拉大学做Tenure track助理教授, 2017年晋升副教授（终身教职），2018年晋升固态电子学正教授。他的研究组致力于最先端集成电路微纳加工和微纳器件技术的研究开发及其在传感器和新能源领域的应用。他曾获得瑞典研究理事会优秀青年基金、项目基金和重点项目基金(co-PI) 资助。他2014年获得Göran Gustafssons青年科学家奖，2015年被瑞典皇家科学院选为Wallenberg Academy Fellow; 2016年被瑞典战略研究基金会选为第六代20名Future research leaders之一。

郭国平教授2005年博士毕业于中国科学技术大学，现为中国科学技术大学，中国科学院量子信息重点实验室教授，博士生导师。

郭国平教授瞄准国家重大战略前沿，长期致力于半导体量子功能器件方面研究，组建并带领研究团队填补了我国半导体量子计算研究的空白，并取得了多项具有重要国际影响力的科研成果，以第一作者或通讯作者在Nature Communications，Science Advances, Physical Review Letters，PNAS等国际一流期刊发表SCI论文150余篇，成果多次被国际科学媒体作为重要进展重点评论并多次受邀在国际学术会议上做邀请报告。郭国平教授申请/授权国家专利20余项并积极推动产学研结合，特别是以此为基础，2017年孵化了国内首家量子计算初创公司“合肥本源量子计算科技有限责任公司”。

同时郭国平教授积极承担和参与国家重大科研任务，作为首席科学家主持了国家重点研发计划、重大研究计划（973）等项目，作为负责人主持了基金委重点项目、中科院先导专项课题等10余项国家项目。获得国家基金委杰出青年基金、中组部“万人计划”青年科技创新领军人才、中国青年科技奖、安徽省自然科学一等奖等人才基金和奖励。