Nature：基于受熱載流子受激發射的熱發射極晶體管

一、 【科學背景】??

? ? ? ? 隨著通信、微波和光電子技術的迅速發展，對高效能、高速度和低功耗的器件需求日益增加，受熱載流子受激發射的熱發射極晶體管因其優越的性能特點而備受關注，并逐漸成為各個領域的研究熱點。其工作原理是利用載流子在半導體中受熱激勵后產生的熱發射現象，從而實現電子的發射和控制。與傳統的晶體管相比，受熱載流子受激發射的熱發射極晶體管具有更高的電流傳輸效率和更低的功耗，能夠實現更高的頻率和更快的響應速度。這種器件對于需要快速切換和高頻操作的應用至關重要，例如先進的電信和尖端的計算技術。然而，熱載流子產生的傳統機制是載流子注入或加速，這限制了器件在功耗和負微分電阻方面的性能。中國科學院金屬研究所劉馳研究員等人報道了一種基于雙混合維石墨烯/鍺肖特基結的混合維熱發射極晶體管（HOET），使用加熱載流子的受激發射來實現低于玻爾茲曼極限。通過利用能帶組合形成的不同勢壘，可以提供不同的熱載流子產生機制。相關研究成果以 “A hot-emitter transistor based on stimulated emission of heated carriers”為題目發表在國際頂級期刊Nature上。

二、【科學貢獻】

圖1 器件結構和基本特性。? 2024 Nature

圖2 超低SS和SEHC機制。? 2024 Nature

圖3 負差分電阻。? 2024 Nature

圖4 MVL（多值邏輯）技術的HOETs。? 2024 Nature

三、【 創新點】?

? ? ? 1．混合維電子器件可以利用不同維材料在幾何尺度以及電學和光學性能方面的優點。

2. 利用塊體材料和低維材料的不同能帶組合可以形成各種勢壘，從而可以發射高能載流子。
3. 利用熱載流子的受激發射，HOET晶體管在室溫下實現了低于1 mV dec^?1的亞閾值擺幅和峰谷電流比大于100的NDR。具有高反相器增益和可重構邏輯狀態的多值邏輯的應用。

四、【 科學啟迪】

? ? ? ? 使用基于混合維材料的SEHC（受熱載流子的受激發射）機制，HOET（熱發射極晶體管）提供了熱載流子晶體管家族的另一個成員，產生超低SS（次閾值擺動），這是目前研究成果中最低的報告值，并且在NDR（負差分電阻）效應中的PVR（峰谷電流比）是Gr器件中最高的之一。通過結合正確的材料和器件結構，HOET可以提供多功能和高性能的器件，在后摩爾時代的低功耗和NDR技術中具有潛在的應用。

原文詳情：https://www.nature.com/articles/s41586-024-07785-3