Nature：基于受热载流子受激发射的热发射极晶体管

一、 【科学背景】

随着通信、微波和光电子技术的迅速发展，对高效能、高速度和低功耗的器件需求日益增加，受热载流子受激发射的热发射极晶体管因其优越的性能特点而备受关注，并逐渐成为各个领域的研究热点。其工作原理是利用载流子在半导体中受热激励后产生的热发射现象，从而实现电子的发射和控制。与传统的晶体管相比，受热载流子受激发射的热发射极晶体管具有更高的电流传输效率和更低的功耗，能够实现更高的频率和更快的响应速度。这种器件对于需要快速切换和高频操作的应用至关重要，例如先进的电信和尖端的计算技术。然而，热载流子产生的传统机制是载流子注入或加速，这限制了器件在功耗和负微分电阻方面的性能。中国科学院金属研究所刘驰研究员等人报道了一种基于双混合维石墨烯/锗肖特基结的混合维热发射极晶体管（HOET），使用加热载流子的受激发射来实现低于玻尔兹曼极限。通过利用能带组合形成的不同势垒，可以提供不同的热载流子产生机制。相关研究成果以 “A hot-emitter transistor based on stimulated emission of heated carriers”为题目发表在国际顶级期刊Nature上。

二、【科学贡献】

图1 器件结构和基本特性。© 2024 Nature

图2 超低SS和SEHC机制。© 2024 Nature

图3 负差分电阻。© 2024 Nature

图4 MVL（多值逻辑）技术的HOETs。© 2024 Nature

三、【 创新点】

1．混合维电子器件可以利用不同维材料在几何尺度以及电学和光学性能方面的优点。

2. 利用块体材料和低维材料的不同能带组合可以形成各种势垒，从而可以发射高能载流子。
3. 利用热载流子的受激发射，HOET晶体管在室温下实现了低于1 mV dec⁻¹的亚阈值摆幅和峰谷电流比大于100的NDR。具有高反相器增益和可重构逻辑状态的多值逻辑的应用。

四、【 科学启迪】

使用基于混合维材料的SEHC（受热载流子的受激发射）机制，HOET（热发射极晶体管）提供了热载流子晶体管家族的另一个成员，产生超低SS（次阈值摆动），这是目前研究成果中最低的报告值，并且在NDR（负差分电阻）效应中的PVR（峰谷电流比）是Gr器件中最高的之一。通过结合正确的材料和器件结构，HOET可以提供多功能和高性能的器件，在后摩尔时代的低功耗和NDR技术中具有潜在的应用。

原文详情：https://www.nature.com/articles/s41586-024-07785-3