中國(guó)網(wǎng)/中國(guó)發(fā)展門(mén)戶網(wǎng)訊 由中國(guó)科學(xué)院金屬研究所劉馳研究員、孫東明研究員和成會(huì)明院士主導(dǎo)，與任文才團(tuán)隊(duì)和北京大學(xué)張立寧團(tuán)隊(duì)合作，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。該項(xiàng)研究成果于8月15日以論文形式發(fā)表在《自然》期刊上。

晶體管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)展的技術(shù)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。晶體管能夠調(diào)控由電子或空穴等載流子形成電流的大小。在通常情況下，載流子與周?chē)h(huán)境處于熱平衡狀態(tài)，稱為“穩(wěn)態(tài)”；但通過(guò)電場(chǎng)加速等方法，可以提升載流子的能量，使其成為“熱載流子”。如果能夠有效操控這種高能的熱載流子，并提高其濃度，將有望進(jìn)一步提升晶體管的速度和功能。石墨烯等低維材料憑借其原子級(jí)厚度、優(yōu)異的電學(xué)與光電性能，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)展提供了全新思路。

據(jù)了解，此次研究成果新型晶體管由兩個(gè)耦合的“石墨烯/鍺”肖特基結(jié)組成。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(guò)100的負(fù)微分電阻，展示出其在多值邏輯計(jì)算中的應(yīng)用潛力。

該工作開(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、多功能集成電路中廣泛應(yīng)用。

載流子的受激發(fā)射效果圖