集成电路是现代信息技术的基石，而晶体管则是集成电路的基本单元。随着晶体管尺寸的不断缩小，其进一步发展的挑战日益增多。因此，探索具有新工作原理的晶体管，已成为提升集成电路性能的关键。传统晶体管主要依赖稳态载流子的传输，而热载流子晶体管则通过将载流子调制到高能态来提升器件的速度和功能，展现出突破现有晶体管技术限制的潜力。然而，过去的热载流子晶体管主要依靠隧穿注入和电场加速来生成热载流子，由于界面势垒的影响，所生成的热载流子电流密度不足，严重限制了器件性能的提升。
石墨烯等低维材料凭借其原子级厚度、优异的电学和光电性能，以及无表面悬键等特性，易于与其他材料形成异质结，从而产生丰富的能带组合，为热载流子晶体管的发展提供了新思路。中国科学院金属研究所沈阳材料科学国家研究中心与北京大学的科研团队合作，采用了一种创新思路，通过可控调制热载流子来提高电流密度，发明了一种由石墨烯和锗等混合维度材料构成的热发射极晶体管，并提出了一种全新的“受激发射”热载流子生成机制。该研究成果于8月15日以题为“A hot-emitter transistor based on stimulated emission of heated carriers”（一种基于载流子可控受激发射的热发射极晶体管）的论文发表在《自然》（Nature）期刊上。
这款新型晶体管由两个耦合的“石墨烯/锗”肖特基结组成（如图1所示）。在器件工作时，载流子由石墨烯基极注入，随后扩散到发射极，并激发出受电场加热的载流子，从而导致电流急剧增加。这一设计实现了低于1 mV/dec的亚阈值摆幅（如图2所示），突破了传统晶体管的玻尔兹曼极限（60 mV/dec）。此外，该晶体管在室温下还表现出峰谷电流比超过100的负微分电阻（如图3所示），展示出其在多值逻辑计算中的应用潜力（如图4所示）。
该项研究开辟了晶体管器件研究的新领域，为热载流子晶体管家族增添了新成员，并有望推动其在未来低功耗、多功能集成电路中的广泛应用。
该项研究工作由中国科学院金属研究所的刘驰研究员、孙东明研究员和成会明院士主导，并与任文才团队及北京大学张立宁团队合作完成。在研究过程中，金属研究所的刘驰研究员设计了器件和电路并提出了器件机制。博士生王鑫哲、硕士生杨绪起、孔越以及分析测试中心的梁艳等人共同开展了器件的制备与性能测试研究。马来鹏研究员等负责石墨烯材料的设计与制备工作。北京大学深圳研究生院的张立宁教授及其博士生沈聪则进行了器件仿真和建模研究。刘驰、王鑫哲、沈聪和马来鹏为论文的共同第一作者，刘驰、张立宁和孙东明为论文的共同通讯作者。
该项研究工作得到了多方资助，包括国家自然科学基金、国家重点研发计划、中国科学院、辽宁省科技厅、金属研究所和沈阳材料科学国家研究中心的支持。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-024-07785-3
图1. 晶体管器件结构和基本特性。a. 器件结构示意图；b. 横截面图；c. 晶体管阵列；d. 转移特性曲线；e. 输出特性曲线。
图2. 超低亚阈值摆幅特性和受激发射机制。a. 转移特性曲线；b. 亚阈值摆幅与电流关系图；c. 亚阈值摆幅性能对比图；d. 转移特性中电流的温度依赖性；e. 临界基极偏压与集电极偏压关系图；f. 临界基极偏压与缝隙宽度关系图；g. 发射极电流与基极偏压关系图；h. 载流子在晶体管中的流向图；i.器件能带图。
图3. 负微分电阻。a. 输出特性曲线；b. 输出特性中电流的温度依赖性；c. 峰值电流偏压与缝隙宽度关系图；d. 峰谷电流比；e. 峰谷电流比性能对比图。
图4. 用于多值逻辑计算的热发射极晶体管电路。a. 电路光镜图；b. 等效电路图；c. 集电极电流作为输出的四值数字逻辑反向器；d. 集电极电流对应的跨导；e.发射极电流作为输出的四值数字逻辑反向器；f. 发射极电流对应的跨导；g. 三值反向器；h.三值跟随器；i. 三值加法器元件。