Nature子刊发文！理大团队的这个成果，事关芯片研发！

理大应用物理学系柴扬教授课题组最新研发了能在室温下工作、基于“谷”输运机制的量子晶体管。该技术利用谷量子输运的低损耗特性，展示出实现低功耗计算芯片的应用潜力，未来有望实现低功耗计算芯片研发。相关研究成果近日发表在国际顶级期刊Nature Communications (《自然•通讯》)上，文章第一作者是理大应用物理学系博士后陈杰威。

数字时代，晶体管作为计算芯片的最基本元件，是计算机等电子产品的重要组成部分。

然而，目前的集成电路芯片主要利用电子的电荷自由度来实现信息的传输和处理，电子产品在工作时因电荷在晶体管内流动，不可避免地会发热——这不仅会引起较大的能耗，还会影响计算芯片的稳定性。因此，研究具有低能耗特征的新型电子器件十分必要。

为攻克这一难题，理大应用物理学系柴扬教授课题组研发了能在室温下工作、基于“谷”输运机制的量子晶体管。该项研究成果利用新型拓扑半导体材料“碲烯”来制备谷晶体管，突破了室温下利用谷输运机制实现晶体管工作的重大挑战。

由于谷电子晶体管在传输过程中有着很低的热损耗，该项技术未来有望实现低功耗计算芯片研发。

理大应用物理学系柴扬教授课题组

“谷”是电子的一种量子自由度，可以像电荷一样作为信息载流子，在传输过程中具有很低的热耗散。但是，谷电子通常采用光学方法来激发，很难在室温下操作。

根据目前的研究与理论，基于拓扑半金属的谷输运具有较长的寿命且可以传输较长距离；然而，利用拓扑半金属来实现器件的“开”和“关”则较为困难。

柴扬教授课题组在前期拓扑晶体管的研究基础上，进一步利用新型拓扑半导体材料“碲烯(Te)”来制备谷晶体管：这种材料不同于半金属，它具有半导体型的能带结构，可以用电压来有效调控碲烯器件的“开”和“关”。

谷输运机制的量子晶体管

该技术同时具有如下特点：

1. 成功制备了可以在室温下工作的谷场效应晶体管。

2. 在小于2V的工作电压下，开关比达到了105，并且通过锂离子调控，实现了仿生突触的长期抑制/增强特性。

3. 该晶体管具有32个稳定突触态，利用谷电子晶体管，我们可以构建人工神经网络，用于笔迹数据分类计算时，准确率达到95.2%，且其推理过程的功耗比传统晶体管低大约2~3个数量级。

基于谷输运机制的场效应晶体管

基于以上技术特点，这项成果利用谷量子输运的低损耗特性，展示出实现低功耗计算芯片的应用潜力。

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事实上，柴扬教授课题组已在微电子器件领域获得了多项研究进展。

早前，课题组成功研发出能模仿甚至超越人类视网膜对不同亮度适应力的先进视觉传感器，该成果已发表于Nature Electronics(《自然•电子学》)，并入选“2022年度香港十大创科新闻”。