我校科研工作者超低功耗半导体方面取得突破性进展

近日我校李志刚教授课题组和浙大方明虎教授、浙农林冯尚申教授以及美国特拉华大学魏秉庆教授合作，在美国物理联合会（AIP）期刊Applied Physics Review（IF 19.2）上发表最新研究论文：《等离子诱导双金属阵列室温超级半导体》，论文第一单位是红宝石官方网站hbs16。

从音响到计算机、手机芯片，半导体器件为我们的生活带来了重大的改变，以至于我们想花更多的钱去追求更好的性能。然而，随着半导体器件（尤其是芯片）性能的提升，功耗问题日益严重，它不仅带来了大量能源的浪费，而且还影响了性能的进一步提升。如何解决功耗问题，成为制约目前半导体芯片性能提升的关键瓶颈。

一般来讲，金属中存在近似无穷多的自由电子（1022~1023/cm3），其导电性能只需要考虑电子的贡献。然而，如果金属的尺寸小到纳米尺寸时，如仅有3-5 nm，其内部电子数将不再被视为无穷多个。若此时其内部再产生大量空穴，其导电性能将会如何变化？

光电效应是一个经典的量子效应，它可以使电子通过吸收光子能量，而离开原来的位置，形成热电子-空穴对。我们通过对纳米结构的优化设计，设计了一款可以利用室温环境光来激发热电子空穴对的双金属纳米阵列，即Co/Al球壳阵列：Co为等离子共振层，平均厚度约为3-5 nm，沉积在直径240 nm聚苯乙烯胶体球上，为离散的纳米颗粒；Al为输运层，平均厚度约为50 nm，包裹在Co上面，形成球壳结构。

图1. 双金属阵列超低电阻率半导体 (a)样品示意图，(b)金属-超级半导体转变，(c) b低温金属区间放大图，(d)不同温度下的霍尔曲线，(e) FDTD模拟显示阵列结构在室温热红外有等离子共振光吸收, (f) 超级半导体能级示意图。

样品的测试结果表明，双金属阵列在低温下表现为金属行为，电阻率随温度变化与薄膜类似；接近室温时（>230 K或>-43 oC）,样品表现为半导体行为，甚至导电类型会从n型（电子导电）转变为p型（空穴导电）。室温时，双金属阵列电阻率可以比其金属态电阻率还要低一个数量级，达到10-8 W*m，与传统半导体电阻率相比，低3-10个数量级。为了与传统半导体区别，我们仿照超导命名，为其命名为超级半导体。进一步研究表明，其半导体带隙恰好等于双金属费米能级之差，且与等离子共振所吸收的热红外光能量相同。

双金属展现出来的超低电阻率特性，有望将现有半导体器件功耗降低三个数量级以上。以一台10万片芯片的超级计算机为例，假设每片功耗均为125瓦，10万片功耗将高达12.5兆瓦，相当于一个近10万人口城市的用电量；若采用该技术，芯片功耗将降至原功耗的千分之一，仅相当于几台空调耗电量。此外，随着功耗的降低，芯片散热将不再是个问题，其计算速度还有望得到大幅度提升。

该工作发表于《应用物理评论》，该论文被甑选为APR亮点论文（Featured/Editor's picks），并被美国物理学联合会《科学之光》（AIP Scilight）杂志以Super-semiconductors show ultra-low resistivity为题进行了专访报道。Scilight每年从AIP旗下30多个刊物中仅挑选300余篇最值得关注的研究成果进行报道。

论文连接：https://doi.org/10.1063/5.0087808

科学之光连接: https://aip.scitation.org/doi/10.1063/10.0011463