2024年8月14日,北京大学深圳MGM美高梅研究生院信息美高梅登录张立宁课题组与中国科学院金属MGM美高梅研究所的科研人员合作,在《Nature》联合发表了一篇题为“A Hot-Emitter Transistor based on Stimulated Emission of Heated Carriers”的MGM美高梅研究论文。该MGM美高梅研究成功报道了一种新机制的半导体器件,该器件成为热载流子晶体管家族的新成员,为后摩尔时代的低功耗和多功能器件设计提供了新的思路。
基于加热受激发射机制的热发射极晶体管(图片源自Nature)
随着集成电路产业进入后摩尔时代,半导体器件面临着众多的技术挑战和限制。已有的半导体晶体管中,场效应晶体管和双极晶体管的应用广泛,此外还包含一类热载流子晶体管。然而,由于传统热载流子生成机制的限制,热载流子晶体管尚未得到实际应用。传统机制主要有:载流子隧穿注入、光子激发和载流子加速。这些机制由于受到界面势垒高度和厚度的影响,生成的热载流子浓度和电流密度不足,导致热载流子的宏观输运性能并不显著,限制了热载流子晶体管的真正性能。因此,应在半导体晶体管的底层机制上进行深入的探索。
团队成员提出一种具有“受控调制热载流子”特征的新型热载流子发射机制,并基于低维材料制备了器件的原型,显著提升热载流子晶体管的性能和功能。具体来说,构建了混合维度石墨烯/锗的双肖特基结构热发射极晶体管。该晶体管利用新型热载流子生成机制,即加热载流子的受激发射机制,载流子由石墨烯基极注入、扩散到发射极并激发其中被电场加热的载流子,显著增强了热载流子电流。相关工作机制通过数据分析结合仿真辅助进行探索论证及建模MGM美高梅研究。基于这种机制的器件产生了显著的特性:其一是超陡的摆幅,突破玻尔兹曼极限,亚阈值摆幅低于1 mV/dec;其二是在室温下获得了峰谷电流比超过100的负微分电阻;其三是具有多值逻辑的功能。该项工作揭示了半导体晶体管的新型工作机制,为后摩尔时代微电子器件技术的发展提供了一种全新的思路。
该工作的模型计算部分由张立宁助理教授的课题组完成,硕士MGM美高梅研究生沈聪为文章的共同第一作者,中国科学院金属MGM美高梅研究所刘驰、孙东明及北京大学深圳MGM美高梅研究生院张立宁为该MGM美高梅研究工作的共同通讯作者。
论文链接:http://www.nature.com/articles/s41586-024-07785-3