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近期，中國科學(xué)院金屬研究所科研團(tuán)隊與合作者通過可控調(diào)制熱載流子來提高電流密度，發(fā)明了一種由石墨烯和鍺等混合維度材料構(gòu)成的“熱發(fā)射極”晶體管，并提出了一種全新的“受激發(fā)射”熱載流子生成機(jī)制。相關(guān)研究成果8月14日發(fā)表于《自然》。

載流子的受激發(fā)射效果圖 金屬所供圖

該項研究工作由中國科學(xué)院金屬研究所研究員劉馳、孫東明和中國科學(xué)院院士成會明主導(dǎo)，聯(lián)合中國科學(xué)院金屬研究所研究員任文才團(tuán)隊、北京大學(xué)助理教授張立寧團(tuán)隊合作完成。

據(jù)了解，晶體管是集成電路的基本單元。隨著晶體管尺寸的不斷縮小，其進(jìn)一步發(fā)展的技術(shù)挑戰(zhàn)日益增多。因此，探索具有新工作原理的晶體管，已成為提升集成電路性能的關(guān)鍵。

正如水龍頭的閥門可以調(diào)節(jié)水流的大小，晶體管也能夠調(diào)控由電子或空穴等載流子形成電流的大小。研究發(fā)現(xiàn)，在通常情況下，載流子與周圍環(huán)境處于熱平衡狀態(tài)，稱為“穩(wěn)態(tài)”；但通過電場加速等方法，可以提升載流子的能量，使其成為“熱載流子”。如果能夠有效操控這種高能的熱載流子，并提高其濃度，將有望進(jìn)一步提升晶體管的速度和功能。

石墨烯等低維材料憑借其原子級厚度、優(yōu)異的電學(xué)與光電性能，以及無表面懸鍵等特性，易于與其他材料形成異質(zhì)結(jié)，從而產(chǎn)生豐富的能帶組合，為熱載流子晶體管的發(fā)展提供了全新思路。

這款新型晶體管由兩個耦合的“石墨烯/鍺”肖特基結(jié)組成。載流子由石墨烯基極注入，隨后擴(kuò)散到發(fā)射極，并激發(fā)出受電場加熱的載流子，從而導(dǎo)致電流急劇增加。這一設(shè)計實現(xiàn)了低于1 mV/dec的亞閾值擺幅，突破了傳統(tǒng)晶體管的玻爾茲曼極限（60 mV/dec）。此外，該晶體管在室溫下還表現(xiàn)出峰谷電流比超過100的負(fù)微分電阻，展示出其在多值邏輯計算中的應(yīng)用潛力。

據(jù)悉，該工作開辟了晶體管器件研究的新領(lǐng)域，為熱載流子晶體管家族增添了新成員，并有望推動其在未來低功耗、多功能集成電路中廣泛應(yīng)用。