数十年来，半导体及其异质结构是电子学领域基础与应用研究的基石。半导体异质结构在电子学中的成功实践，为自旋电子学的发展带来重要启示，自旋与电荷自由度的协同调控成为该领域实现性能突破的核心方向：传统磁性隧道结在信息存储与传感应用中表现优异，但信息传输与处理效率偏低；而半导体恰好具备高效电荷输运与信号处理能力，二者协同具有重要研究价值。当前，实现自旋与半导体电荷协同调控的主流途径为化学掺杂与自旋注入，但均面临关键挑战：化学掺杂会显著降低载流子迁移率，且易破坏材料光发射特性；自旋注入则受限于界面质量不佳与材料间电阻失配。插入隧穿势垒虽可缓解上述问题，但会阻碍电流传输进而需要施加更大偏压，最终导致器件功耗显著增加。
近期，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团队及其合作者在《自然-通讯》(Nature Communications)发表一项新进展：基于二维半导体p-n结的磁性隧道结，在1nA偏置电流和10K低温下实现1100%的巨大隧穿磁电阻效应（如图1e所示）。该数值与商用CoFeB/MgO基的最高低温隧穿磁电阻（5K下1144%）大小相当。同时，研究团队在该纳米级厚度磁性隧道结中观测到显著的零偏压自旋电压异常效应，类比于隧穿磁电阻效应，自旋电压效应被定义为SVE=|(VAP-VP)/VP|。在低温35K下，研究团队观察到零偏压自旋电压信号变化大小比值超过30000%（如图2c所示），这种超大自旋信号来源于自旋向上/向下电子在结区的不对称扩散，由p-n结的内建电场驱动，并在结与环境持续能量交换的过程中产生（如图3所示）。这一发现揭示了转化与放大自旋信息用于低功耗电子器件的全新机遇。
该研究在范德华异质结构中实现的高效自旋注入与巨大磁电阻效应具有跨领域意义。半导体固有的非线性特性与二维铁磁性的电可调性为发展全电控、多功能和低功耗电子学器件提供了新机遇。正如p-n结的非线性响应对早期晶体管至关重要，零偏压反常自旋电压效应可用于实现原子级厚度范德华p-n结中的自旋逻辑与信号放大。实验中当前采用的磁场驱动方式，未来可通过自旋轨道扭矩操控铁磁体翻转来替代，从而实现非易失性磁存储器与自旋逻辑的无缝集成。结合自旋轨道扭矩与直接带隙范德华半导体，注入的自旋极化载流子角动量可转化为对发射光偏振态的控制，为低功耗长距离光学自旋信息传输开辟新途径。尽管自旋阀的核心关注点始终是其磁电阻特性，但改变磁化相对方向也会影响其边缘磁场分布。若将该研究基于二维铁磁金属Fe3GeTe2的自旋阀与超导体构建异质结构，此类边缘磁场可能诱导难以实现的自旋三重态超导电性，通过在二维结构中构建马约拉纳态，为容错拓扑量子计算提供多功能平台。
该成果以“Two-dimensional magnetic tunnel p-n junctions for low-power electronics”为题，发表于《自然-通讯》。
图1 | FGT/p-GaSe-InSe/FGT磁性隧道结中的零偏压反常自旋电压效应(SVE)。a.器件结构与测试原理示意图。b.典型器件的光学显微图像。c.截面的高分辨透射电子显微镜图像。d.磁化平行排列下器件A、B、C的I-V曲线。e-f.在1nA偏置电流、10K温度下，器件A、B、C的V-B曲线分别显示出约1100%、10%和0%的隧穿磁电阻效应。g-h.无外加偏压条件下，器件A、B、C在10K温度下的V-B曲线分别显示出约1930%、30%和0%的零偏压反常自旋电压效应。i.在10K温度下，不同器件（标记为A、B、C、D、E、F）的零偏压异常自旋电压效应随电阻-面积乘积的变化关系。
图 2 | 零偏压自旋电压效应的温度依赖性。a.器件A在不同温度下的零偏压自旋电压效应。b.由V-B曲线提取的零偏压下反平行磁化电压VAP和平行磁化电压VP随温度的变化。c.由V-B曲线得出的零偏压自旋电压效应及自旋累积电压ΔV(ΔV = VAP - VP) 随温度的变化。
图3 | 磁性隧道结中的自旋极化输运。a.示意图描绘了：(i) 平行状态和(ii) 反平行状态下两个FGT电极之间的单一间隔层；(iii) 平行状态和(iv) 反平行状态下两个FGT电极之间的p-n结间隔层。b.计算得到的GaSe(5 nm)/InSe(5 nm)结中自旋极化率P的分布。插图：引起自旋电压效应的结内自旋密度示意图。c-d.(c)平行状态和(d)反平行状态下FGT/GaSe/InSe/FGT结的能带示意图。虚线表示电子自旋向上（红色）和自旋向下（蓝色）的准费米能级。
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