中國網(wǎng)/中國發(fā)展門戶網(wǎng)訊 由中國科學院金屬研究所劉馳研究員、孫東明研究員和成會明院士主導，與任文才團隊和北京大學張立寧團隊合作，通過可控調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。該項研究成果于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，其進一步發(fā)展的技術挑戰(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鍵。晶體管能夠調控由電子或空穴等載流子形成電流的大小。在通常情況下，載流子與周圍環(huán)境處于熱平衡狀態(tài)，稱為“穩(wěn)態(tài)”；但通過電場加速等方法，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厚度、優(yōu)異的電學與光電性能，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(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耦合的“石墨烯/鍺”肖特基結組成。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，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，展示出其在多值邏輯計算中的應用潛力。

該工作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、多功能集成電路中廣泛應用。

載流子的受激發(fā)射效果圖