中国科学院金属研究所再发Nature：基于载流子可控受激发射的热发射极晶体管

      热载流子晶体管是一类利用载流子多余动能的器件。与传统的依赖稳态载流子传输的晶体管不同，热载流子晶体管通过将载流子调制到高能态，提升器件的速度和功能。这些特性对于要求快速切换和高频操作的应用（如先进的电信和尖端计算技术）至关重要。尽管如此，传统的热载流子生成机制，如载流子注入或加速，通常限制了器件在功耗和负微分电阻（NDR）方面的表现。混合维度的器件能够结合体材料和低维材料，通过能带组合形成的不同势垒提供新颖的热载流子生成机制。这为后摩尔时代的低功耗和NDR应用提供了新的可能性。

      本文开发了一种基于石墨烯/锗（Ge）肖特基结的双混合维度热发射极晶体管（HOET）。该器件利用了两层分离的石墨烯作为发射极和基极，锗作为集电极。通过采用受激发射的加热载流子（SEHC）机制，器件实现了突破Boltzmann极限的超低亚阈值摆幅（低于1 mV/dec），并在室温下展现了显著的负微分电阻（NDR），其峰谷电流比（PVR）超过了100。

      器件的基本结构包括在p型锗衬底上的单层石墨烯，其中石墨烯中间有一个间隙。通过控制基极偏压，发射极与集电极之间的载流子传输可以实现超低的亚阈值摆幅，并且展示出优异的开关性能和低功耗特性。此外，器件还具备多值逻辑的能力，并且能够实现高增益倒相器和可重构逻辑状态，这些特性使其在未来的低功耗电子器件和多功能集成电路中具有巨大的应用潜力。

      通过研究，作者证明了混合维度材料的优势，即通过不同维度材料的几何尺度、电学和光学性能的结合，可以有效提高热载流子的生成和调控能力。基于这一机制，HOET不仅在传统热载流子晶体管的基础上实现了性能的突破，还开辟了低功耗与高性能电子器件的新路径。

图1：器件结构与基本特性。

      图1a展示了热发射极晶体管的基本结构。单层石墨烯（Gr）被切割成两个部分，并置于p型锗（Ge）衬底上。两个分离的石墨烯层分别作为发射极（emitter-Gr）和基极（base-Gr），通过HfO₂窗口与Ge衬底接触。Ge衬底则作为集电极（collector）。图1b是横截面示意图，显示了在Ge衬底上的单层石墨烯及其与锗的接触情况。图1c展示了多个间隙长度从2 μm到75 μm的晶体管的光学显微镜图像。标尺为100 μm。图1d是发射极-集电极电流与基极电压（I_c–V_b）的传输特性图，显示了Boltzmann极限以下的亚阈值摆幅（SS），最小值低于1 mV/dec。图1e是发射极-集电极电流与集电极电压（I_c–V_b）的输出特性图，显示了峰谷电流比（PVR）大于100的负微分电阻（NDR）。

图2：超低亚阈值摆幅与SEHC机制。

      图2a展示了具有2 μm间隙的晶体管的传输特性（I_c–V_b），发射极-集电极电流（I_c）随基极电压突然变化，SS最低值为0.38 mV/dec。图2b是SS与发射极-集电极电流（I_c）的关系图，显示了从0.38 mV/dec到1.52 mV/dec的最小SS值，以及SS小于60 mV/dec的电流范围。图2c对比了不同器件的平均SS和最大开态电流，表明本文提出的器件在SS小于60 mV/dec的电流表现上具有优势。图2d展示了随着温度变化的传输特性，随着温度升高，电流变化变得更加迅速，SS值也更低。图2e展示了在不同集电极电压（V_c）下，基极电压（V_b-critical）随着集电极电压线性增加的关系图。图2f显示了随着集电极电压的变化，基极电压（V_b-critical）随着间隙长度（d_gap）的增加而增加。图2g展示了发射极电流（I_e）和集电极电流（I_c）同时突然增加的现象。图2hSEHC机制的结构示意图，展示了载流子在晶体管中的四个关键过程：加热、注入、扩散和发射。图2i是器件能带图，说明了SEHC机制下载流子能量的变化过程。

图3：负微分电阻特性。

      图3a展示了具有3 μm间隙的晶体管的输出特性（I_c–V_c），显示了明显的负微分电阻（NDR）效应。图3b是温度依赖的输出特性图，展示了NDR效应随着温度降低逐渐消失。图3c展示了不同基极电压（V_b）下，随着间隙长度（d_gap）的增加，Ic达到峰值的集电极电压（V_c-peak）逐渐减小。图3d展示了不同基极电压下的峰值和谷值电流以及相应的峰谷电流比（PVR）变化，最佳PVR达到了126。图3e对比了本文提出的晶体管与其他基于石墨烯和Si/Ge技术的NDR器件的PVR值，显示了本文提出器件的优越性。

图4：多值逻辑技术。

      图4a展示了三种热发射极晶体管（T1、T2、T3）并联的电路结构，具有公共发射极、公共集电极和独立的基极。图4b显示了等效电路图，标示出公共发射极、集电极和独立基极。图4c展示了输入（基极电压V_b3）与输出（集电极电流I_c）信号之间的关系图，显示了三次突变的I_c变化，表明电路为四值数字逻辑倒相器。图4d展示了倒相器增益（g_m = dI_c/dV_b3）的变化，表明逻辑状态变化时的高增益特性。图4e展示了发射极电流（I_e）随基极电压V_b3的依赖性，表现为四值倒相器的行为。图4f展示了发射极电流倒相器增益（g_m = dI_c/dV_b3）的变化，进一步验证了倒相器特性。图4g展示了输入逻辑信号（V_c）和输出逻辑信号（I_c）之间的关系，表明电路可以作为三值数字逻辑倒相器使用。图4h展示了电路作为三值跟随器的功能。图4i展示了电路可用于构建加法器的情况，显示了不同基极电压组合下的输入输出关系。

      通过基于混合维度材料的受激发射加热载流子（SEHC）机制，该器件成为了热载流子晶体管家族的新成员，生成了超低的SS值和极高的PVR值，代表了石墨烯器件的一个新的里程碑。未来，进一步优化器件的结构和材料，尤其是采用更优质的石墨烯/半导体界面和更适合的材料组合，可以显著提升器件的性能。这为低功耗和NDR应用提供了广阔的前景，也为后摩尔时代的集成电路设计带来了新的可能性。

• Graphene charge-injection photodetectors. Nature Electronics, 2022, 5(5): 281-288.

  本文探讨了基于石墨烯的电荷注入光探测器，展示了其在高灵敏度和高速响应方面的优势，特别适用于下一代光电子器件。

• Vertical graphene base transistor. IEEE Electron Device Letters, 2012, 33(5): 691-693.

  本文报道了垂直石墨烯基晶体管，其通过将石墨烯作为基极，实现了高频操作，展示了在未来6G技术中的应用前景。

• Van der Waals integration before and beyond two-dimensional materials. Nature, 2019, 567(7748): 323-333.

  本文探讨了二维材料（如石墨烯）及其与三维材料的范德华集成，展示了通过异质集成实现高性能电子器件的潜力。这种集成方法对于开发具有优异电学和光学性能的混合维度器件至关重要，如本文研究的热发射极晶体管。
  

联系人：许经理 17843129655（同微信）

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