近日，由中国科学院金属研究所刘驰、孙东明研究员和成会明院士主导，与任文才团队和北京大学张立宁团队合作使用石墨烯等低维材料，构建了一种既可以降低功耗、又具有“负电阻”等功能的热发射极晶体管，有望用于设计集成度更高、功能更丰富的集成电路。相关成果以“一种基于载流子可控受激发射的热发射极晶体管”为题，15日发表于《自然》期刊上。

近年来，随着晶体管尺寸不断缩小，其进一步发展在速度和功耗等方面面临着众多挑战，寻找具有新工作原理的晶体管已经成为制备高性能集成电路的关键。正如水龙头可以控制水管中的水流，晶体管可以控制电路中由电子或空穴等“载流子”形成的电流。一般情况下，载流子与周围环境处于热平衡状态，即“稳态”;然而通过给载流子加速等办法，可以使其能量升高，变为“热载流子”，使用这种高能载流子可以提升晶体管的工作速度和功能，有望突破其发展所面临的限制。然而，采用现有方法生成的热载流子浓度和电流密度不足，未能展示出热载流子晶体管的真正性能。

石墨烯等低维材料具有原子级厚度、优异的电学和光电性能，且无表面悬键，易与不同材料形成异质结从而产生丰富的能带组合。基于此，科研人员提出了使用石墨烯等低维材料、通过可控调制热载流子以提高电流密度的研究思路，发明了一种“受激发射”新型热载流子生成机制，并构建了热发射极晶体管。该晶体管采用了两个由石墨烯和锗形成的“肖特基结”，在器件工作时，锗向石墨烯基极注入了高能载流子，它们随后扩散到石墨烯发射极并激发其中已被电场预加热的载流子，一起形成了突增的电流变化和负微分电阻。

据了解，这项工作开辟了原创性的晶体管研究领域，为热载流子晶体管家族引入了新成员，展现了热载流子晶体管作为低功耗、多功能器件在未来高性能集成电路领域的广阔应用前景。(王莹)