科學家發明新型“熱發射極”晶體管

　　近期，中國科學院金屬研究所科研團隊與合作者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。相關研究成果8月14日發表于《自然》。

　　該項研究工作由中國科學院金屬研究所研究員劉馳、孫東明和中國科學院院士成會明主導，聯合中國科學院金屬研究所研究員任文才團隊、北京大學助理教授張立寧團隊合作完成。

　　據了解，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，其進一步發展的技術挑戰日益增多。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。

　　正如水龍頭的閥門可以調節水流的大小，晶體管也能夠調控由電子或空穴等載流子形成電流的大小。研究發現，在通常情況下，載流子與周圍環境處于熱平衡狀態，稱為“穩態”；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，從而產生豐富的能帶組合，為熱載流子晶體管的發展提供了全新思路。

　　這款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，展示出其在多值邏輯計算中的應用潛力。

　　據悉，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。

　　相關論文信息： https://doi.org/10.1038/s41586-024-07785-3