手套箱&半導體｜金屬所等發明熱發射極晶體管

集成電路是現代信息技術的基石，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，其進一步發展的挑戰日益增多。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鍵。傳統晶體管主要依賴穩態載流子的傳輸，而熱載流子晶體管則通過將載流子調制到高能態來提升器件的速度和功能，展現出突破現有晶體管技術限制的潛力。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結，從而產生豐富的能帶組合，為熱載流子晶體管的發展提供了新思路。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，采用了一種創新思路，通過可控調制熱載流子來提高電流密度，發明了一種由石墨烯和鍺等混合維度材料構成的熱發射極晶體管，并提出了一種全新的“受激發射”熱載流子生成機制。8月15日，相關研究成果以A hot-emitter transistor based on stimulated emission of heated carriers為題，發表在《自然》（Nature）上。

這款新型晶體管由兩個耦合的“石墨烯/鍺”肖特基結組成。在器件工作時，載流子由石墨烯基極注入，隨后擴散到發射極，并激發出受電場加熱的載流子，從而導致電流急劇增加。這一設計實現了低于1 mV/dec的亞閾值擺幅，突破了傳統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出峰谷電流比超過100的負微分電阻，展示出在多值邏輯計算中的應用潛力。

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。

圖1. 晶體管器件結構和基本特性。a. 器件結構示意圖；b. 橫截面圖；c. 晶體管陣列；d. 轉移特性曲線；e. 輸出特性曲線。

圖2. 超低亞閾值擺幅特性和受激發射機制。a. 轉移特性曲線；b. 亞閾值擺幅與電流關系圖；c. 亞閾值擺幅性能對比圖；d. 轉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系圖；f. 臨界基極偏壓與縫隙寬度關系圖；g. 發射極電流與基極偏壓關系圖；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字邏輯反向器；d. 集電極電流對應的跨導；e.發射極電流作為輸出的四值數字邏輯反向器；f. 發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。

（轉自金屬研究所）