【科学背景】

随着信息技术和电子设备的迅猛发展，对高性能、高速运算的需求日益增加。因此呢，晶体管作为核心电子器件，其性能的提升成为了关键研究方向。传统的晶体管，如金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）和双极结晶体管（BJT），已经在现代集成电路中取得了显著成功。然而，随着应用对速度和功能的要求不断提高，热载流子晶体管作为新兴技术开始受到关注。

热载流子晶体管是一类利用载流子过剩动能的设备，与常规晶体管依赖于稳态载流子输运不同，热载流子晶体管通过将载流子调节至高能状态来提升设备的速度和功能。这种特性对于需要快速开关和高频操作的应用，例如先进电信和尖端计算技术，具有重要意义。然而，传统的热载流子生成机制主要包括载流子注入和加速，这些机制在功耗和负微分电阻（NDR）方面限制了设备的性能。例如，载流子注入机制和加速机制都无法提供低于60 mV dec−1的超低亚阈值摆幅，这对于现代低功耗应用至关重要。

为了解决这些问题，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，联合中国科学院金属研究所研究员任文才团队、北京大学助理教授张立宁团队合作提出了一种基于双重混合维度石墨烯/锗肖特基结的热发射晶体管（HOET）。该晶体管利用加热载流子的受激发射机制，实现了低于1毫伏每十年（decade）的超低亚阈值摆幅，超出了玻尔兹曼极限，并且在室温下具有大于100的峰值-谷值电流比的负微分电阻。

通过这种新颖的机制，HOET克服了传统热载流子晶体管在功耗和NDR方面的限制，提供了一种具有显著潜力的多功能晶体管，适用于低功耗和负微分电阻应用，为后摩尔时代的技术进步提供了新的解决方案。

【科学亮点】

（1）实验首次报道了一种基于双重混合维度石墨烯/锗肖特基结的热发射晶体管（HOET），该晶体管利用加热载流子的受激发射实现了超低亚阈值摆幅和高峰值-谷值电流比的负微分电阻（NDR）。

（2）实验通过结合块状材料和低维材料（石墨烯和锗），利用其不同的能带组合形成潜在障碍，从而实现了以下结果：

• 该HOET实现了低于1毫伏每十年（decade）的亚阈值摆幅，超出了玻尔兹曼极限，这使得设备在低功耗应用中表现优异。

• 在室温下，HOET的负微分电阻具有大于100的峰值-谷值电流比，这在石墨烯设备中为最高之一，显示出优异的性能。

• 进一步演示了具有高反相增益和可重配置逻辑状态的多值逻辑应用，展示了设备的多功能性和高性能。

【科学图文】

图1：器件结构及基本特性。

图2：超低SS和SEHC机制。

图3：负微分电阻。

图4： 用于MVL技术的HOET。

【科学结论】

本文的研究提供了对热载流子晶体管（HET）领域的重要科学启迪。传统的热载流子生成机制，如载流子注入和加速，存在限制设备性能的不足，特别是在功耗和负微分电阻（NDR）方面。本文提出了一种基于双重混合维度石墨烯/锗肖特基结的热发射晶体管（HOET），利用加热载流子的受激发射机制，显著突破了传统机制的限制，实现了低于1毫伏每十年（decade）的超低亚阈值摆幅，并在室温下展现出大于100的峰值-谷值电流比。

这一创新不仅提升了器件的性能，还为低功耗和NDR应用提供了新颖的解决方案。通过将块状材料与低维材料结合，利用不同能带组合形成的潜在障碍，HOET展示了如何通过新机制生成热载流子，推动了热载流子晶体管技术的发展。这项研究为后摩尔时代的电子器件设计开辟了新的方向，尤其是在高性能、低功耗和多功能应用方面，具有重要的科学价值和应用前景。

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