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原創丨米測MeLab
編輯丨風云
研究背景
熱載流子晶體管是一類利用載流子過剩動能的器件。與依賴穩態載流子傳輸的普通晶體管不同，熱載流子晶體管將載流子調制到高能態，從而提高器件的速度和功能。這些特性對于需要快速切換和高頻操作的應用至關重要，例如先進的電信和尖端計算技術。
關鍵問題
然而，熱載流子晶體管主要存在以下問題：
1、傳統熱載流子器件在功耗和負微分電阻方面存在限制
傳統的熱載流子產生機制是載流子注入，要么是加速，這限制了器件在功耗和負微分電阻（NDR）方面的性能。這兩種器件都無法提供低于玻爾茲曼極限 60?mV?dec?1的超低亞閾值擺幅，而這在現代低功耗應用中是十分必要的。
2、需要一種新的熱載流子產生機制來改善熱載流子器件的功耗和NDR
混合維器件結合了塊體材料和低維材料，，可以利用不同維度材料在幾何尺度、電學和光學性能方面的優勢，提供一種新的熱載流子產生機制。同時，利用不同能帶組合可以形成各種勢壘，可用于發射高能載流子，具有研究潛力。
新思路
有鑒于此，中科院金屬所成會明院士、孫東明、劉馳和北京大學張立寧等人報告了一種基于雙混合維度石墨烯/鍺肖特基結的熱發射晶體管，該晶體管利用受激載流子的受激輻射實現亞閾值擺幅低于玻爾茲曼極限1mV dec-1，并在室溫下實現峰谷電流比大于100的負微分電阻。進一步展示了具有高反相增益和可重構邏輯狀態的多值邏輯。這項工作報告了一種多功能熱發射晶體管，在低功耗和負微分電阻應用方面具有巨大潛力，標志著后摩爾時代的一項有希望的進步。
技術方案：
1、介紹了晶體管的裝置結構和特點
本工作開發的晶體管由單層石墨烯和p型鍺襯底構成，通過HfO2窗口接觸，具有肖特基勢壘和負微分電阻特性，亞閾值擺幅低于1 mV dec?1。
2、證實了晶體管超低亞閾值擺幅并提出熱載流子受激輻射機制
作者證實了晶體管實現超低亞閾值擺幅低于1 mV dec?1，室溫下峰谷電流比達100，并創新地提出受激輻射加熱載流子工作機制。
3、測量了HOET的負微分電阻
研究表明HOET技術實現了具有超低亞閾值擺幅和高PVR值的NDR效應，其中PVR最佳值可達126，遠高于傳統Si和Ge技術的RSTT器件。
4、展示了HOET技術在多值邏輯應用中的巨大潛力
作者展示了HOET技術用于MVL，可實現高增益反相器和可重構邏輯狀態，適用于低功耗電路設計，具有巨大的應用潛力。
技術優勢：
1、實現了亞閾值擺幅低于1mV dec-1，突破了玻爾茲曼極限
作者基于雙石墨烯/鍺肖特基結的混維熱發射晶體管，利用加熱載流子的受激輻射，在室溫下實現了低于1 mV dec?1的亞閾值擺幅，突破了傳統的玻爾茲曼極限，表現出了卓越的電學特性。
2、展示了具有高反相增益和可重構邏輯狀態的多值邏輯應用
作者進一步展示了具有高反相增益和可重構邏輯狀態的多值邏輯應用，這為開發新型邏輯電路和存儲設備提供了新的可能性，有助于推動后摩爾時代的電子器件發展。
技術細節
裝置結構及特點
本工作開發的晶體管由缺口石墨烯層和p型鍺襯底構成，通過HfO2窗口接觸。石墨烯層分別作為發射極和基極，鍺作為集電極。器件利用化學氣相沉積技術和標準半導體工藝制造，石墨烯中的間隙通過光刻技術形成。I-V測試顯示發射極-基極與p-Ge結存在肖特基勢壘，具有高開關電流比和熱電子發射特性。傳輸特性表明，晶體管在亞閾值擺幅下表現出低于1 mV dec?1的電流變化，而輸出特性則顯示出約100的峰谷電流比，顯示出負微分電阻現象。
圖 裝置結構及基本特點
超低亞閾值擺幅及熱載流子受激輻射機制
該晶體管通過共發射極配置實現超低亞閾值擺幅，室溫下最小SS為0.38–1.52 mV dec-1，遠低于傳統極限60 mV dec-1，且在1到3個數量級電流范圍內 SS 小于 60 mV dec-1，展現出卓越的開關性能 。同時，晶體管還表現出明顯的負微分電阻現象，峰谷電流比PVR約為100，進一步增強了其在電子設備中的應用潛力。此外，作者提出了晶體管受激輻射加熱載流子 (SEHC) 機制，通過四個關鍵過程：載流子加熱、注入、擴散和發射，實現了超低 SS 的突破 。這一發現不僅驗證了即使具有連續通道的晶體管也能產生超低 SS，也為未來低功耗集成電路設計提供了新思路。
圖 超低SS和SEHC機制
負微分電阻
HOET技術突破了傳統Si和Ge技術在熱載流子器件產生的NDR效應限制，實現了高達126的最佳峰谷流動比率（PVR）值，遠超RSTT技術的PVR不超過34的結果。該技術在室溫下表現出顯著的NDR效應，并且隨著溫度的降低，NDR效應逐漸消失。此外，HOET的NDR特性與間隙長度dgap有關，隨著dgap的增加，達到最大值的Vc-peak電壓降低。與RSTT技術不同，HOET中即使施加較大的基極偏置Vb，基極電流Ib也不會減小，這表明僅通過Vb無法將載流子加速到足夠熱，從而產生NDR效應。HOET的峰值和谷值電流隨基極偏置Vb的增加而增加，PVR從90.6變為24.6，顯示了其在電子器件中的廣泛應用潛力。
圖 負微分電阻
多值邏輯技術
HOET技術在多值邏輯（MVL）應用中展現出巨大潛力，能夠提供高反相器增益和可重構邏輯狀態。通過并聯三個HOET（T1-T3），構建了一個具有共發射極和共集電極的電路，實現了四元數字邏輯反相器的功能。該電路的高反相器增益接近1 mA μm-1 V-1，適用于低功耗MVL。此外，通過施加不同的基極電壓偏置，可以控制Ic曲線的形狀，實現邏輯狀態的突變。Ie對Vb3的依賴性也展現了四元反相器的行為，增加了電路設計的靈活性。研究還展示了如何通過調整基極偏置，實現可重構邏輯狀態，例如三元數字邏輯反相器、跟隨器和加法器，為構建更高性能的系統提供了可能。
圖 用于MVL技術的HOET
展望
總之，本工作開發的HOET利用基于混合維度材料的 SEHC 機制，為熱載流子晶體管家族提供了又一個成員，它產生的超低SS是報道過的最低值之一，而NDR效應中的PVR是Gr器件中最高的之一。通過結合正確的材料和器件結構，HOET可以提供一種多功能、高性能的器件，在后摩爾時代的低功耗和NDR 技術中具有潛在的應用價值。
參考文獻：
Liu, C., Wang, XZ., Shen, C. et al. A hot-emitter transistor based on stimulated emission of heated carriers. Nature (2024).
https://doi.org/10.1038/s41586-024-07785-3
