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利用標(biāo)準(zhǔn)硅基半導(dǎo)體集成電路工藝制備的電子器件，如硅基的晶體管和納米機(jī)電諧振器，是現(xiàn)代電子產(chǎn)業(yè)的基石。隨著超大規(guī)模集成工藝技術(shù)的發(fā)展，硅基電子器件的尺寸已進(jìn)入納米尺度，將會(huì)展現(xiàn)出不同于經(jīng)典器件的量子效應(yīng)。作為納米尺度的新型功能電子器件的代表，硅基單電子/空穴晶體管和超高頻納米機(jī)電諧振器在量子計(jì)算、精密傳感等方面有廣泛的應(yīng)用前景。特別值得一提的是，如果硅基單空穴晶體管被懸浮起來(lái)，其自身就可以作為超高頻納米機(jī)電諧振器。這樣的復(fù)合結(jié)構(gòu)器件不僅可以展現(xiàn)出單空穴隧穿的電學(xué)輸運(yùn)行為，還具有優(yōu)異的機(jī)械力學(xué)性能。這些優(yōu)異的器件特性可以使得電學(xué)讀取納米諧振器的力學(xué)響應(yīng)成為可能，對(duì)于探索載流子和機(jī)械振動(dòng)的相互作用，以及機(jī)械振動(dòng)的潛在量子特性有重大意義。與此同時(shí)，利用這種復(fù)合結(jié)構(gòu)器件，也可以研究納米尺度下硅材料中的壓阻效應(yīng)，將有助于設(shè)計(jì)新型力學(xué)傳感器件。

基于這些出發(fā)點(diǎn)，我校郭光燦院士團(tuán)隊(duì)郭國(guó)平教授研究組和瑞典烏普薩拉大學(xué)章貞教授研究組合作，設(shè)計(jì)制備了與CMOS產(chǎn)線工藝兼容的懸浮單空穴硅晶體管器件，該器件同時(shí)也可作為超高頻納米機(jī)電諧振器工作。這一復(fù)合器件在極低溫(~20 mK)高真空環(huán)境下，展現(xiàn)出單空穴隧穿行為，其力學(xué)諧振頻率達(dá)到3 GHz，是已報(bào)道的同類硅基器件中的最高值。同時(shí)，研究人員發(fā)現(xiàn)這一復(fù)合器件中，機(jī)械振動(dòng)的電學(xué)讀出主要依賴壓阻效應(yīng)，且與單空穴隧穿行為高度關(guān)聯(lián)。通過(guò)對(duì)比不同驅(qū)動(dòng)功率下器件的響應(yīng)，他們發(fā)現(xiàn)器件工作在單空穴隧穿狀態(tài)時(shí)，器件的壓阻系數(shù)提升了一個(gè)數(shù)量級(jí)（見(jiàn)圖1）。

圖1 器件單空穴電學(xué)輸運(yùn)性質(zhì)和力學(xué)性能表征

圖2大規(guī)模可集成器件照片

該復(fù)合器件利用CMOS工藝制備，易于大規(guī)模集成（見(jiàn)圖2）。同時(shí)，該工作也為進(jìn)一步利用納米諧振器中的聲學(xué)模式，耦合硅基量子點(diǎn)中的載流子創(chuàng)造了條件。在極低溫環(huán)境下，該納米諧振器的超高諧振頻率對(duì)應(yīng)的熱聲子占據(jù)數(shù)及零點(diǎn)漲落已超過(guò)量子極限。隨著測(cè)控技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，該成果也將為研究超高頻聲學(xué)模式的潛在量子行為，以及基于這一體系的新型雜化量子信息器件的研發(fā)提供新的途徑。

這一成果近期以“A Suspended Silicon Single-Hole Transistor as an Extremely Scaled Gigahertz Nanoelectromechanical Beam Resonator”為題發(fā)表在《先進(jìn)材料》(Advanced Materials)上，我校張拙之副研究員和烏普薩拉大學(xué)博士研究生胡奇濤為文章共同第一作者，我校郭國(guó)平教授，宋驤驤副研究員和烏普薩拉大學(xué)章貞教授為共同通訊作者。該工作得到了中國(guó)科技部、中國(guó)國(guó)家自然科學(xué)基金委、中國(guó)博士后科學(xué)基金會(huì)和安徽省的資助。器件制備由瑞典研究理事會(huì)(Swedish Research Council-VR),瑞典戰(zhàn)略研究基金會(huì)(Swedish Strategic Research Foundation-SSF)和瑞典瓦倫堡基金會(huì)(Knut och Alice Wallenberg Foundation-KAW)共同資助。

論文鏈接：https://doi.org/10.1002/adma.202005625

（中科院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、中科院量子信息與量子科技創(chuàng)新研究院、科研部）