集成電路是現(xiàn)代信息技術(shù)的基石，而晶體管則是集成電路的基本單元。隨著晶體管尺寸的不斷縮小，其進一步發(fā)展的挑戰(zhàn)日益增多。因此，探索具有新工作原理的晶體管，已成為提升集成電路性能的關(guān)鍵。傳統(tǒng)晶體管主要依賴穩(wěn)態(tài)載流子的傳輸，而熱載流子晶體管則通過將載流子調(diào)制到高能態(tài)來提升器件的速度和功能，展現(xiàn)出突破現(xiàn)有晶體管技術(shù)限制的潛力。然而，過去的熱載流子晶體管主要依靠隧穿注入和電場加速來生成熱載流子，由于界面勢壘的影響，所生成的熱載流子電流密度不足，嚴重限制了器件性能的提升。
石墨烯等低維材料憑借其原子級厚度、優(yōu)異的電學和光電性能，以及無表面懸鍵等特性，易于與其他材料形成異質(zhì)結(jié)，從而產(chǎn)生豐富的能帶組合，為熱載流子晶體管的發(fā)展提供了新思路。中國科學院金屬研究所沈陽材料科學國家研究中心與北京大學的科研團隊合作，采用了一種創(chuàng)新思路，通過可控調(diào)制熱載流子來提高電流密度，發(fā)明了一種由石墨烯和鍺等混合維度材料構(gòu)成的熱發(fā)射極晶體管，并提出了一種全新的“受激發(fā)射”熱載流子生成機制。該研究成果于8月15日以題為“A hot-emitter transistor based on stimulated emission of heated carriers”（一種基于載流子可控受激發(fā)射的熱發(fā)射極晶體管）的論文發(fā)表在《自然》（Nature）期刊上。
這款新型晶體管由兩個耦合的“石墨烯/鍺”肖特基結(jié)組成（如圖1所示）。在器件工作時，載流子由石墨烯基極注入，隨后擴散到發(fā)射極，并激發(fā)出受電場加熱的載流子，從而導致電流急劇增加。這一設計實現(xiàn)了低于1 mV/dec的亞閾值擺幅（如圖2所示），突破了傳統(tǒng)晶體管的玻爾茲曼極限（60 mV/dec）。此外，該晶體管在室溫下還表現(xiàn)出峰谷電流比超過100的負微分電阻（如圖3所示），展示出其在多值邏輯計算中的應用潛力（如圖4所示）。
該項研究開辟了晶體管器件研究的新領域，為熱載流子晶體管家族增添了新成員，并有望推動其在未來低功耗、多功能集成電路中的廣泛應用。
該項研究工作由中國科學院金屬研究所的劉馳研究員、孫東明研究員和成會明院士主導，并與任文才團隊及北京大學張立寧團隊合作完成。在研究過程中，金屬所的劉馳研究員設計了器件和電路并提出了器件機制。博士生王鑫哲、碩士生楊緒起、孔越以及分析測試中心的梁艷等人共同開展了器件的制備與性能測試研究。馬來鵬研究員等負責石墨烯材料的設計與制備工作。北京大學深圳研究生院的張立寧教授及其博士生沈聰則進行了器件仿真和建模研究。劉馳、王鑫哲、沈聰和馬來鵬為論文的共同第一作者，劉馳、張立寧和孫東明為論文的共同通訊作者。
該項研究工作得到了多方資助，包括國家自然科學基金、國家重點研發(fā)計劃、中國科學院、遼寧省科技廳、金屬所和沈陽材料科學國家研究中心的支持。
圖1. 晶體管器件結(jié)構(gòu)和基本特性
a. 器件結(jié)構(gòu)示意圖；b. 橫截面圖；c. 晶體管陣列；d. 轉(zhuǎn)移特性曲線；e. 輸出特性曲線。
圖2. 超低亞閾值擺幅特性和受激發(fā)射機制
a. 轉(zhuǎn)移特性曲線；b. 亞閾值擺幅與電流關(guān)系圖；c. 亞閾值擺幅性能對比圖；d. 轉(zhuǎn)移特性中電流的溫度依賴性；e. 臨界基極偏壓與集電極偏壓關(guān)系圖；f. 臨界基極偏壓與縫隙寬度關(guān)系圖；g. 發(fā)射極電流與基極偏壓關(guān)系圖；h. 載流子在晶體管中的流向圖；i.器件能帶圖。
圖3. 負微分電阻
a. 輸出特性曲線；b. 輸出特性中電流的溫度依賴性；c. 峰值電流偏壓與縫隙寬度關(guān)系圖；d. 峰谷電流比；e. 峰谷電流比性能對比圖。
圖4. 用于多值邏輯計算的熱發(fā)射極晶體管電路
a. 電路光鏡圖；b. 等效電路圖；c. 集電極電流作為輸出的四值數(shù)字邏輯反向器；d. 集電極電流對應的跨導；e.發(fā)射極電流作為輸出的四值數(shù)字邏輯反向器；f. 發(fā)射極電流對應的跨導；g. 三值反向器；h.三值跟隨器；i. 三值加法器元件。
