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(jìn)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(guò)將載流子調(diào)制到高能態(tài)來(lái)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(guò)去的熱載流子晶體管主要依靠隧穿注入和電場(chǎng)加速來(lái)生成熱載流子，由于界面勢(shì)壘的影響，所生成的熱載流子電流密度不足，嚴(yán)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(jí)厚度、優(yōu)異的電學(xué)和光電性能，以及無(wú)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(guó)科學(xué)院金屬研究所沈陽(yáng)材料科學(xué)國(guó)家研究中心與北京大學(xué)的科研團(tuán)隊(duì)合作，采用了一種創(chuàng)新思路，通過(guò)可控調(diào)制熱載流子來(lái)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(jī)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(gè)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(shí)，載流子由石墨烯基極注入，隨后擴(kuò)散到發(fā)射極，并激發(fā)出受電場(chǎng)加熱的載流子，從而導(dǎo)致電流急劇增加。這一設(shè)計(jì)實(shí)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(guò)100的負(fù)微分電阻（如圖3所示），展示出其在多值邏輯計(jì)算中的應(yīng)用潛力（如圖4所示）。

該項(xiàng)研究開(kāi)辟了晶體管器件研究的新領(lǐng)域，為熱載流子晶體管家族增添了新成員，并有望推動(dòng)其在未來(lái)低功耗、多功能集成電路中的廣泛應(yīng)用。

該項(xiàng)研究工作由中國(guó)科學(xué)院金屬研究所的劉馳研究員、孫東明研究員和成會(huì)明院士主導(dǎo)，并與任文才團(tuán)隊(duì)及北京大學(xué)張立寧團(tuán)隊(duì)合作完成。在研究過(guò)程中，金屬研究所的劉馳研究員設(shè)計(jì)了器件和電路并提出了器件機(jī)制。博士生王鑫哲、碩士生楊緒起、孔越以及分析測(cè)試中心的梁艷等人共同開(kāi)展了器件的制備與性能測(cè)試研究。馬來(lái)鵬研究員等負(fù)責(zé)石墨烯材料的設(shè)計(jì)與制備工作。北京大學(xué)深圳研究生院的張立寧教授及其博士生沈聰則進(jìn)行了器件仿真和建模研究。劉馳、王鑫哲、沈聰和馬來(lái)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(xiàng)研究工作得到了多方資助，包括國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、中國(guó)科學(xué)院、遼寧省科技廳、金屬研究所和沈陽(yáng)材料科學(xué)國(guó)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(jī)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(duì)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(fù)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(duì)比圖。

圖4. 用于多值邏輯計(jì)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(duì)應(yīng)的跨導(dǎo)；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(duì)應(yīng)的跨導(dǎo)；g. 三值反向器；h.三值跟隨器；i. 三值加法器元件。

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