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原创丨米测MeLab

编辑丨风云

研究背景

热载流子晶体管是一类利用载流子过剩动能的器件。与依赖稳态载流子传输的普通晶体管不同，热载流子晶体管将载流子调制到高能态，从而提高器件的速度和功能。这些特性对于需要快速切换和高频操作的应用至关重要，例如先进的电信和尖端计算技术。

关键问题

然而，热载流子晶体管主要存在以下问题：

1、传统热载流子器件在功耗和负微分电阻方面存在限制

传统的热载流子产生机制是载流子注入，要么是加速，这限制了器件在功耗和负微分电阻（NDR）方面的性能。这两种器件都无法提供低于玻尔兹曼极限 60 mV dec⁻¹的超低亚阈值摆幅，而这在现代低功耗应用中是十分必要的。

2、需要一种新的热载流子产生机制来改善热载流子器件的功耗和NDR

混合维器件结合了块体材料和低维材料，，可以利用不同维度材料在几何尺度、电学和光学性能方面的优势，提供一种新的热载流子产生机制。同时，利用不同能带组合可以形成各种势垒，可用于发射高能载流子，具有研究潜力。

新思路

有鉴于此，中科院金属所成会明院士、孙东明、刘驰和北京大学张立宁等人报告了一种基于双混合维度石墨烯/锗肖特基结的热发射晶体管，该晶体管利用受激载流子的受激辐射实现亚阈值摆幅低于玻尔兹曼极限1mV dec^-1，并在室温下实现峰谷电流比大于100的负微分电阻。进一步展示了具有高反相增益和可重构逻辑状态的多值逻辑。这项工作报告了一种多功能热发射晶体管，在低功耗和负微分电阻应用方面具有巨大潜力，标志着后摩尔时代的一项有希望的进步。

技术方案：

1、介绍了晶体管的装置结构和特点

本工作开发的晶体管由单层石墨烯和p型锗衬底构成，通过HfO₂窗口接触，具有肖特基势垒和负微分电阻特性，亚阈值摆幅低于1 mV dec⁻¹。

2、证实了晶体管超低亚阈值摆幅并提出热载流子受激辐射机制

作者证实了晶体管实现超低亚阈值摆幅低于1 mV dec⁻¹，室温下峰谷电流比达100，并创新地提出受激辐射加热载流子工作机制。    

3、测量了HOET的负微分电阻

研究表明HOET技术实现了具有超低亚阈值摆幅和高PVR值的NDR效应，其中PVR最佳值可达126，远高于传统Si和Ge技术的RSTT器件。

4、展示了HOET技术在多值逻辑应用中的巨大潜力

作者展示了HOET技术用于MVL，可实现高增益反相器和可重构逻辑状态，适用于低功耗电路设计，具有巨大的应用潜力。

技术优势：

1、实现了亚阈值摆幅低于1mV dec^-1，突破了玻尔兹曼极限

作者基于双石墨烯/锗肖特基结的混维热发射晶体管，利用加热载流子的受激辐射，在室温下实现了低于1 mV dec⁻¹的亚阈值摆幅，突破了传统的玻尔兹曼极限，表现出了卓越的电学特性。

2、展示了具有高反相增益和可重构逻辑状态的多值逻辑应用

作者进一步展示了具有高反相增益和可重构逻辑状态的多值逻辑应用，这为开发新型逻辑电路和存储设备提供了新的可能性，有助于推动后摩尔时代的电子器件发展。

技术细节

装置结构及特点

本工作开发的晶体管由缺口石墨烯层和p型锗衬底构成，通过HfO₂窗口接触。石墨烯层分别作为发射极和基极，锗作为集电极。器件利用化学气相沉积技术和标准半导体工艺制造，石墨烯中的间隙通过光刻技术形成。I-V测试显示发射极-基极与p-Ge结存在肖特基势垒，具有高开关电流比和热电子发射特性。传输特性表明，晶体管在亚阈值摆幅下表现出低于1 mV dec⁻¹的电流变化，而输出特性则显示出约100的峰谷电流比，显示出负微分电阻现象。    

图  装置结构及基本特点

超低亚阈值摆幅及热载流子受激辐射机制

该晶体管通过共发射极配置实现超低亚阈值摆幅，室温下最小SS为0.38–1.52 mV dec^-1，远低于传统极限60 mV dec^-1，且在1到3个数量级电流范围内 SS 小于 60 mV dec^-1，展现出卓越的开关性能 。同时，晶体管还表现出明显的负微分电阻现象，峰谷电流比PVR约为100，进一步增强了其在电子设备中的应用潜力。此外，作者提出了晶体管受激辐射加热载流子 (SEHC) 机制，通过四个关键过程：载流子加热、注入、扩散和发射，实现了超低 SS 的突破 。这一发现不仅验证了即使具有连续通道的晶体管也能产生超低 SS，也为未来低功耗集成电路设计提供了新思路。    

图  超低SS和SEHC机制

负微分电阻

HOET技术突破了传统Si和Ge技术在热载流子器件产生的NDR效应限制，实现了高达126的最佳峰谷流动比率（PVR）值，远超RSTT技术的PVR不超过34的结果。该技术在室温下表现出显著的NDR效应，并且随着温度的降低，NDR效应逐渐消失。此外，HOET的NDR特性与间隙长度d_gap有关，随着d_gap的增加，达到最大值的V_c-peak电压降低。与RSTT技术不同，HOET中即使施加较大的基极偏置V_b，基极电流I_b也不会减小，这表明仅通过V_b无法将载流子加速到足够热，从而产生NDR效应。HOET的峰值和谷值电流随基极偏置V_b的增加而增加，PVR从90.6变为24.6，显示了其在电子器件中的广泛应用潜力。    

图  负微分电阻

多值逻辑技术

HOET技术在多值逻辑（MVL）应用中展现出巨大潜力，能够提供高反相器增益和可重构逻辑状态。通过并联三个HOET（T1-T3），构建了一个具有共发射极和共集电极的电路，实现了四元数字逻辑反相器的功能。该电路的高反相器增益接近1 mA μm^-1 V^-1，适用于低功耗MVL。此外，通过施加不同的基极电压偏置，可以控制I_c曲线的形状，实现逻辑状态的突变。I_e对V_b3的依赖性也展现了四元反相器的行为，增加了电路设计的灵活性。研究还展示了如何通过调整基极偏置，实现可重构逻辑状态，例如三元数字逻辑反相器、跟随器和加法器，为构建更高性能的系统提供了可能。    

图  用于MVL技术的HOET

展望

总之，本工作开发的HOET利用基于混合维度材料的 SEHC 机制，为热载流子晶体管家族提供了又一个成员，它产生的超低SS是报道过的最低值之一，而NDR效应中的PVR是Gr器件中最高的之一。通过结合正确的材料和器件结构，HOET可以提供一种多功能、高性能的器件，在后摩尔时代的低功耗和NDR 技术中具有潜在的应用价值。

参考文献：

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