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(chǎng)加速來生成熱載流子，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(jī)制。8月15日，相關(guān)研究成果以A hot-emitter transistor based on stimulated emission of heated carriers為題，發(fā)表在《自然》（Nature）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。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，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(fù)微分電阻，展示出在多值邏輯計(jì)算中的應(yīng)用潛力。該項(xiàng)研究開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)其在未來低功耗、多功能集成電路中的廣泛應(yīng)用。研究工作得到國(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、遼寧省科技廳等的支持。論文鏈接圖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。