【复材信息】成会明院士团队Nature！石墨烯晶体管进展很大！

2024-08-22

热载流子晶体管是一种利用载流子过剩动能的装置。热载流子晶体管不同于依靠稳态载流子传输的一般晶体管，将载流子调配到高能状态，从而提高设备的速度和功能。这对于需要快速切换和高频操作的应用尤为重要，例如先进的电信和尖端计算技术。但是，传统的热载流子产生机制是注入或加速载流子，这限制了装置在功耗和负微分电阻方面的性能。混合维护装置集成了块材料和低维材料，可利用能带组合形成的差异势垒，为热载流子产生提供不同的机制。

鉴于此，中国科学院金属研究所研究员成会明教授、刘驰、孙东明联合北京大学助理教授张立宁报告了一种基于双混合和维石墨烯/邈肖特基结的热发射晶体管。晶体管利用受激载流子的受激辐射，实现每十年1毫伏以下的亚阀值摆幅，在室温下实现峰谷电流比大于100的负微分电阻。进一步展示了具有高反相增益和可重构逻辑状态的多值逻辑。这项工作报告了一种多功能热发射晶体管，在低功耗和负微分电阻的应用上具有很大的潜力，这意味着后摩尔时代取得了巨大的进步。有关研究成果被称为“A hot-emitter transistor based on stimulated emission of heated carriers“发表在最新一期《Nature》上。

设备结构和特点

作者报告了一种混合维热发射极晶体管，基于双石墨烯/邈肖特基结。（HOET）。晶体管本质上是由一种含有缺口的单层石墨烯制成的。(Gr)构成了一个p型Ge衬底。Gr通过HfO2窗口接触Ge(HfO2)。两个单独的Gr层被用作发射极(emitter-Gr)和基极(base-Gr)，Ge衬底作为集电极(图1a)、b)。该设备采用Gr转移和标准半导体工艺制造。Gr中的缺口采用光刻技术制造，缺口长度为2μm至75μm(图1c)。对晶体管而言，传输特性(Ic-Vb)中集电极电流Ic与基极电压Vb的关系突然发生了电流变化，超过了玻尔兹曼的极限，其中亚阀值摆幅(SS)低于1 mV dec−1(图1d)，输出特性(Ic-Vc)NDR峰谷电流比例与集电极电压Vc的关系显示(PVR)大约100(图1e)。

图1 设备结构和基本特性

极低的亚阀摆幅

SS是代表晶体管开关特性的主要参数。在HOET工作时，发射极偏置Ve接地，使晶体管配有共发射极。当基极偏置Vb增加时，在临界基极偏置Vb-critical下，观察到负集电极电流Ic，电流突然发生变化(图1d和2a)。随着VC的增加，室温下电流突变超过了玻尔兹曼极限，其中最小SS为0.38。–1.52 mV dec−在1范围内，SS低于60。 mV dec−1的电流范围约为1至3个量级，并可能进一步增加(图2b)。不到60的SS mV dec−平均电流SS为0.82 mV dec−1至6.1 mV dec−最大导通电流为73.9 μA μm−1至165.2 μA μm−第一，这是报告的最佳结果之一(图2c)。

激发热载流子的发射机制

由于Gr是p型，空穴是HOET中的主要导电载流子，突变负Ic表示流出集电极的空穴电流突然增大，这既不是Gr/Ge结的正常反漏电流，也不是基极。-Gr/p-正向电流Ge结。四种现象揭示了设备的工作机制。第一，传输特性依赖于温度(图2d)。第二，Vb-critical的临界基极偏置随着Vc线性的增加而增加，Vc − Vb-大约0.77，critical V，造成基极-Gr/p-正向偏置Ge结(图2e)。三是在Vc的每一个偏置下，Vb-随着间隙长度dgap的增加，critical将增加(5)μm为步幅从5μm增加到75μm；图2f）。最后，Ic和Ie同时急剧增加(图2g)。这一现象可以概括为，最初的发射极-Gr/p-Ge结和基极-Gr/p-当基极偏置增加到临界点时，Ge结全部处于反向偏置，-Gr/p-Ge结完全正向偏置，所以发射极-Gr中的大量空穴会突然发射到Ge集电极，而空穴会从发射极进入，以保证从发射极到集电极的持续电流。气温越高，这种情况越明显，间隙越小，临界基极偏置越低。

最后，作者提出了一种受激发射射击的热载流子（SEHC）机制，利用设备的框架图(图2h)和能够用图(图2i)来解释这些现象。

图2 极低 SS 和 SEHC 机制

负微分电阻

输出特性Ic在HOET中–NDR(图1e和3a)显示了Vc。当集电极偏压Vc增大时，Ic首先增大到峰值，然后减小到Gr/Ge结的反向电流。输出特性与温度有关，当温度下降时，NDR逐渐消失(图3b)，而在每一个Vb偏压下，随着空隙长度dgap的增加，Ic达到最高值的电压Vc-peak减少(图3c)。随着基极偏置Vb的增加，峰谷电流增加了(图3d)，PVR从90.6增加到24.6(图3d)。当Vb为-3V时，较高的PVR是由于Gr/Ge结漏电较小，最好的PVR是126。这一结果是使用Gr的设备中最高值之一，比任何使用Si和Ge技术的RSTT(图3e)都要高，这与使用二维材料的隧道设备的最佳结果相当。

这一现象符合SEHC机制：在输出特性中，对于每个负偏压Vb，随着负偏压Vc的增加，发射极-Gr处的热空穴被集电极收集，产生较大的负Ic，逐渐达到峰值电流；当Vc进一步增加时，基极-Gr/Ge结的偏压由正向偏压变为反向偏压，在载流子注入过程中停止，产生谷值电流。

图3 负微分电阻

多值逻辑技术

多功能HOET在各种应用中具有广阔的前景。作者使用三个HOET(T1-T3)与共发射极、共集电极(Ge衬底)和独立基极1-3并联制作电路，并由等效电路和设备符号表示(图4a)、b）。作者使用基极电压作为输入信号，以示高反相器的增益。(IN，例如，Vb3，并且集电极电流Ic作为输出信号。(OUT；图4c)。第一，当Ic突变引起逻辑状态变化时，反相器增益gm(跨导dIc/dVb3)较高，接近1 mA μm−1 V−可以用来制作低功耗MVL(图4d)。第二，可以并联更多的HOET，使用简单的结构实现五进制甚至更多的进制系统。第三，Ie对Vb3的依赖也是四进制反相器的行为，为电路原理提供了更大的灵活性(图4e、f）。

作者探讨了输出特性IcIc的输出特性，以示可以重新部署的思维状态。–Vc。如果输入逻辑信号为(2,1,0)，如果导出逻辑信号为(0,1,2)，则该电路为三值数字逻辑反相器(图4g)。若逻辑信号导出为(2,1,0)，则为三进制跟随器(图4h)。若逻辑信号导出为(0,2,1)，则可用于结构加法器(图4i)。采用不同的基极偏置可以实现更多的可能性，并且可以将更多的HOET并联起来，实现更高的系统。

图4 HOET技术MVL技术

总结

HOET采用基于混合层次材料的SEHC机制，为热载流子晶体管家族提供了另一个成员，其产生的极低SS是最低报告值之一，而NDR效应中的PVR是Gr设备中最高的一种。HOET可以在后摩尔时代的低功耗和NDR技术中提供多功能、高性能的设备，并结合正确的材料和设备结构。

论文链接：

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

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