热载流子晶体管是一类利用载流子过剩动能的器件。与依赖稳态载流子传输的普通晶体管不同，热载流子晶体管将载流子调制到高能态，从而提高器件的速度和功能。这些特性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计算技术。然而，传统的热载流子产生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。混合维器件结合了块体材料和低维材料，可以通过利用能带组合形成的不同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院士、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维石墨烯/锗肖特基结的热发射晶体管，该晶体管利用受激载流子的受激辐射实现亚阈值摆幅低于玻尔兹曼极限每十年1毫伏，并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应用方面具有巨大潜力，标志着后摩尔时代的一项有希望的进步。相关研究成果以题为“A hot-emitter transistor based on stimulated emission of heated carriers”发表在最新一期《Nature》上。
装置结构及特点
作者报告了一种基于双石墨烯/锗肖特基结的混合维热发射极晶体管(HOET)。晶体管本质上是由一个带有缺口的单层石墨烯(Gr)和一个p型Ge衬底组成。Gr通过二氧化铪(HfO2)窗口与Ge接触。两个分离的Gr层用作发射极(emitter-Gr)和基极(base-Gr)，Ge衬底用作集电极(图1a、b)。器件采用Gr转移和标准半导体工艺制造。Gr中的缺口是使用光刻技术制造的，缺口长度为2μm至75μm(图1c)。对于晶体管，传输特性(Ic-Vb)中集电极电流Ic和基极电压Vb的关系显示出超出玻尔兹曼极限的突然电流变化，其中亚阈值摆幅(SS)低于1 mV dec−1(图1d)，而输出特性(Ic-Vc)中的Ic和集电极电压Vc的关系显示NDR的峰谷电流比(PVR)约为100(图1e)。
图1 装置结构及基本特性
超低亚阈值摆幅
SS是表征晶体管开关性能的基本参数。HOET工作时，发射极偏置Ve接地，使晶体管具有共发射极配置。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，电流变化相当突然(图1d和2a)。在室温下，随着Vc的增加，电流突变超出了玻尔兹曼极限，其中最小SS在0.38–1.52 mV dec−1范围内，SS小于60 mV dec−1的电流范围约为1至3个数量级，并且可能进一步增加(图2b)。对于SS小于60 mV dec−1的电流，平均SS为0.82 mV dec−1至6.1 mV dec−1，最大导通电流为73.9 μA μm−1至165.2 μA μm−1，这是报告的最佳结果之一(图2c)。
热载流子受激发射机制
由于Gr是p型，因此空穴是HOET中的主要导电载流子，突变的负Ic表示流出集电极的空穴电流突然增加，这既不是Gr/Ge结的正常反向漏电流，也不是基极-Gr/p-Ge结的正向电流。四种现象揭示了器件的工作机制。首先，传输特性依赖于温度(图2d)。其次，Ic突变时的临界基极偏置Vb-critical随Vc线性增加，Vc − Vb-critical约为0.7 V，导致基极-Gr/p-Ge结正向偏置(图2e)。第三，在Vc的每个偏置下，Vb-critical会随着间隙长度dgap的增加而增加(以5μm为步长从5μm增加到75μm;图2f)。最后，Ic和Ie同时急剧增加(图2g)。这些现象可以总结为，最初发射极-Gr/p-Ge结和基极-Gr/p-Ge结都处于反向偏置，当基极偏置增加到临界值时，基极-Gr/p-Ge结充分正向偏置，因此发射极-Gr中大量的空穴会突然发射到Ge集电极中，而空穴会从发射极进入，以确保从发射极到集电极的连续电流。温度越高，这种现象越明显，间隙越短，临界基极偏置越小。
最后，作者提出了一种热载流子受激发射(SEHC)机制，使用器件的结构图(图2h)和能带图(图2i)来解释这些现象。
图2 超低 SS 和 SEHC 机制
负微分电阻
在HOET中，输出特性Ic–Vc表现出明显的NDR(图1e和3a)。当集电极偏压Vc增加时，Ic首先增加到峰值，然后减小到Gr/Ge结的反向电流。输出特性与温度有关，当温度降低时，NDR逐渐消失(图3b)，并且在每个Vb偏压下，Ic达到最大值的电压Vc-peak随着间隙长度dgap的增加而减小(图3c)。峰谷电流随基极偏置Vb增大而增大(图3d)，PVR从90.6增大到24.6(图3d)。当Vb为-3V时，较高的PVR是由于Gr/Ge结的漏电流较小，最佳PVR为126。这个结果是使用Gr的器件中最高的值之一，高于任何使用Si和Ge技术的RSTT(图3e)，也与使用二维材料的隧道器件的最佳结果相当。
这些现象符合SEHC机制：在输出特性中，对于每一个负偏压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，产生很大的负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，载流子注入过程停止，产生谷值电流。
图3 负微分电阻
多值逻辑技术
多功能HOET在各种应用中都有着广阔的前景。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并联来制作电路，由等效电路和器件符号说明(图4a、b)。为了演示高反相器增益，作者使用一个基极电压作为输入信号(IN，以Vb3为例)，并且集电极电流Ic为输出信号(OUT;图4c)。首先，当Ic突变导致逻辑状态改变时，反相器增益gm(跨导dIc/dVb3)较高，接近1 mA μm−1 V−1，可用于制作低功耗MVL(图4d)。其次，可以并联更多HOET，使用简单结构实现五进制甚至更高进制的系统。第三，Ie对Vb3的依赖性也是四进制反相器的行为，这为电路设计提供了更大的灵活性(图4e、f)。
为了演示可重新配置的逻辑状态，作者研究了输出特性Ic–Vc。当输入逻辑信号为(2,1,0)时，若输出逻辑信号为(0,1,2)，则该电路为三值数字逻辑反相器(图4g)。如果输出逻辑信号为(2,1,0)，则为三进制跟随器(图4h)。如果输出逻辑信号为(0,2,1)，则可以用来构造加法器(图4i)。通过使用不同的基极偏置可以实现更多的可能性，并且可以并联更多的HOET以实现更高的系统。
图4 MVL技术的HOET
总 结
HOET采用基于混合维度材料的SEHC机制，为热载流子晶体管家族提供了又一个成员，其产生的超低SS是报道值中最低的之一，而NDR效应中的PVR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可以提供多功能高性能器件，在后摩尔时代的低功耗和NDR技术中具有潜在应用。
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