科技動(dòng)態(tài)

金屬所發(fā)明熱發(fā)射極晶體管

撰稿: 金屬研究所 發(fā)布時(shí)間:2024-08-15

集成電路是現(xiàn)代信息技術(shù)的基石,而晶體管則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。傳統(tǒng)晶體管主要依賴穩(wěn)態(tài)載流子的傳輸,而熱載流子晶體管則通過(guò)將載流子調(diào)制到高能態(tài)來(lái)提升器件的速度和功能,展現(xiàn)出突破現(xiàn)有晶體管技術(shù)限制的潛力。然而,過(guò)去的熱載流子晶體管主要依靠隧穿注入和電場(chǎng)加速來(lái)生成熱載流子,由于界面勢(shì)壘的影響,所生成的熱載流子電流密度不足,嚴(yán)重限制了器件性能的提升。

石墨烯等低維材料憑借其原子級(jí)厚度、優(yōu)異的電學(xué)和光電性能,以及無(wú)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)展提供了新思路。中國(guó)科學(xué)院金屬研究所沈陽(yáng)材料科學(xué)國(guó)家研究中心與北京大學(xué)的科研團(tuán)隊(duì)合作,采用了一種創(chuàng)新思路,通過(guò)可控調(diào)制熱載流子來(lái)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。該研究成果于8月15日以題為“A hot-emitter transistor based on stimulated emission of heated carriers”(一種基于載流子可控受激發(fā)射的熱發(fā)射極晶體管)的論文發(fā)表在《自然》(Nature)期刊上。

這款新型晶體管由兩個(gè)耦合的“石墨烯/鍺”肖特基結(jié)組成(如圖1所示)。在器件工作時(shí),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(chǎng)加熱的載流子,從而導(dǎo)致電流急劇增加。這一設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了低于1 mV/dec的亞閾值擺幅(如圖2所示),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(guò)100的負(fù)微分電阻(如圖3所示),展示出其在多值邏輯計(jì)算中的應(yīng)用潛力(如圖4所示)。

該項(xiàng)研究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(dòng)其在未來(lái)低功耗、多功能集成電路中的廣泛應(yīng)用。

該項(xiàng)研究工作由中國(guó)科學(xué)院金屬研究所的劉馳研究員、孫東明研究員和成會(huì)明院士主導(dǎo),并與任文才團(tuán)隊(duì)及北京大學(xué)張立寧團(tuán)隊(duì)合作完成。在研究過(guò)程中,金屬所的劉馳研究員設(shè)計(jì)了器件和電路并提出了器件機(jī)制。博士生王鑫哲、碩士生楊緒起、孔越以及分析測(cè)試中心的梁艷等人共同開展了器件的制備與性能測(cè)試研究。馬來(lái)鵬研究員等負(fù)責(zé)石墨烯材料的設(shè)計(jì)與制備工作。北京大學(xué)深圳研究生院的張立寧教授及其博士生沈聰則進(jìn)行了器件仿真和建模研究。劉馳、王鑫哲、沈聰和馬來(lái)鵬為論文的共同第一作者,劉馳、張立寧和孫東明為論文的共同通訊作者。

該項(xiàng)研究工作得到了多方資助,包括國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、中國(guó)科學(xué)院、遼寧省科技廳、金屬所和沈陽(yáng)材料科學(xué)國(guó)家研究中心的支持。

論文鏈接

圖1. 晶體管器件結(jié)構(gòu)和基本特性

a. 器件結(jié)構(gòu)示意圖;b. 橫截面圖;c. 晶體管陣列;d. 轉(zhuǎn)移特性曲線;e. 輸出特性曲線。


圖2. 超低亞閾值擺幅特性和受激發(fā)射機(jī)制

a. 轉(zhuǎn)移特性曲線;b. 亞閾值擺幅與電流關(guān)系圖;c. 亞閾值擺幅性能對(duì)比圖;d. 轉(zhuǎn)移特性中電流的溫度依賴性;e. 臨界基極偏壓與集電極偏壓關(guān)系圖;f. 臨界基極偏壓與縫隙寬度關(guān)系圖;g. 發(fā)射極電流與基極偏壓關(guān)系圖;h. 載流子在晶體管中的流向圖;i.器件能帶圖。

圖3. 負(fù)微分電阻

a. 輸出特性曲線;b. 輸出特性中電流的溫度依賴性;c. 峰值電流偏壓與縫隙寬度關(guān)系圖;d. 峰谷電流比;e. 峰谷電流比性能對(duì)比圖。

圖4. 用于多值邏輯計(jì)算的熱發(fā)射極晶體管電路

a. 電路光鏡圖;b. 等效電路圖;c. 集電極電流作為輸出的四值數(shù)字邏輯反向器;d. 集電極電流對(duì)應(yīng)的跨導(dǎo);e.發(fā)射極電流作為輸出的四值數(shù)字邏輯反向器;f. 發(fā)射極電流對(duì)應(yīng)的跨導(dǎo);g. 三值反向器;h.三值跟隨器;i. 三值加法器元件。