【南燕科研】Nature | 信息工程学院张立宁助理教授团队与合作者联合提出了一种新型热发射极晶体管

2024年8月14日，我院信息工程学院张立宁助理教授团队联合中国科学院金属研究所研究员刘驰、孙东明、任文才和中国科学院院士成会明团队合作完成的研究论文“A Hot-Emitter Transistor based on Stimulated Emission of Heated Carriers”在《Nature》发表。该研究成功报道了一种新机制的半导体器件，该器件成为热载流子晶体管家族的新成员，为后摩尔时代的低功耗和多功能器件设计提供了新的思路。

随着集成电路产业进入后摩尔时代，半导体器件面临着众多的技术挑战和限制。已有的半导体晶体管中，场效应晶体管和双极晶体管的应用广泛，此外还包含一类热载流子晶体管。然而，由于传统热载流子生成机制的限制，热载流子晶体管尚未得到实际应用。传统机制主要有：载流子隧穿注入、光子激发和载流子加速。这些机制由于受到界面势垒高度和厚度的影响，生成的热载流子浓度和电流密度不足，导致热载流子的宏观输运性能并不显著，限制了热载流子晶体管的真正性能。因此，应在半导体晶体管的底层机制上进行深入的探索。

图：装置结构和基本特性

团队成员提出一种具有“受控调制热载流子”特征的新型热载流子发射机制，并基于低维材料制备了器件的原型，显著提升热载流子晶体管的性能和功能。具体来说，构建了混合维度石墨烯/锗的双肖特基结构热发射极晶体管。该晶体管利用新型热载流子生成机制，即加热载流子的受激发射机制，载流子由石墨烯基极注入、扩散到发射极并激发其中被电场加热的载流子，显著增强了热载流子电流。相关工作机制通过数据分析结合仿真辅助进行探索论证及建模研究。基于这种机制的器件产生了显著的特性：其一是超陡的摆幅，突破玻尔兹曼极限，亚阈值摆幅低于1 mV/dec；其二是在室温下获得了峰谷电流比超过100的负微分电阻；其三是具有多值逻辑的功能。该项工作揭示了半导体晶体管的新型工作机制，为后摩尔时代微电子器件技术的发展提供了一种全新的思路。

该工作由中国科学院金属研究所研究员刘驰、孙东明和中国科学院院士成会明主导设计；模型计算部分由我院信息工程学院张立宁助理教授课题组完成，硕士研究生沈聪为文章的共同第一作者；中国科学院金属研究所研究员刘驰、孙东明及张立宁助理教授为该研究的通讯作者。

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相关论文信息：

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

https://www.nature.com/articles/s41586-024-07785-3

来源：南燕科研、信息工程学院

审核发布：王可佳 王琳

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