熱載流子晶體管是一類利用載流子過剩動能的器件。與依賴穩(wěn)態(tài)載流子傳輸?shù)钠胀ňw管不同，熱載流子晶體管將載流子調(diào)制到高能態(tài)，從而提高器件的速度和功能。這些特性對于需要快速切換和高頻操作的應用至關(guān)重要，例如先進的電信和尖端計算技術(shù)。然而，傳統(tǒng)的熱載流子產(chǎn)生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?；旌暇S器件結(jié)合了塊體材料和低維材料，可以通過利用能帶組合形成的不同勢壘為熱載流子產(chǎn)生提供不同的機制。
鑒于此，中國科學院金屬研究所研究員成會明院士、劉馳、孫東明聯(lián)合北京大學助理教授張立寧報告了一種基于雙混合維石墨烯/鍺肖特基結(jié)的熱發(fā)射晶體管，該晶體管利用受激載流子的受激輻射實現(xiàn)亞閾值擺幅低于玻爾茲曼極限每十年1毫伏，并在室溫下實現(xiàn)峰谷電流比大于100的負微分電阻。進一步展示了具有高反相增益和可重構(gòu)邏輯狀態(tài)的多值邏輯。這項工作報告了一種多功能熱發(fā)射晶體管，在低功耗和負微分電阻應用方面具有巨大潛力，標志著后摩爾時代的一項有希望的進步。相關(guān)研究成果以題為“A hot-emitter transistor based on stimulated emission of heated carriers”發(fā)表在最新一期《Nature》上。
裝置結(jié)構(gòu)及特點
作者報告了一種基于雙石墨烯/鍺肖特基結(jié)的混合維熱發(fā)射極晶體管(HOET)。晶體管本質(zhì)上是由一個帶有缺口的單層石墨烯(Gr)和一個p型Ge襯底組成。Gr通過二氧化鉿(HfO2)窗口與Ge接觸。兩個分離的Gr層用作發(fā)射極(emitter-Gr)和基極(base-Gr)，Ge襯底用作集電極(圖1a、b)。器件采用Gr轉(zhuǎn)移和標準半導體工藝制造。Gr中的缺口是使用光刻技術(shù)制造的，缺口長度為2μm至75μm(圖1c)。對于晶體管，傳輸特性(Ic-Vb)中集電極電流Ic和基極電壓Vb的關(guān)系顯示出超出玻爾茲曼極限的突然電流變化，其中亞閾值擺幅(SS)低于1 mV dec?1(圖1d)，而輸出特性(Ic-Vc)中的Ic和集電極電壓Vc的關(guān)系顯示NDR的峰谷電流比(PVR)約為100(圖1e)。
圖1 裝置結(jié)構(gòu)及基本特性
超低亞閾值擺幅
SS是表征晶體管開關(guān)性能的基本參數(shù)。HOET工作時，發(fā)射極偏置Ve接地，使晶體管具有共發(fā)射極配置。當基極偏置Vb增加時，在臨界基極偏置Vb-critical下，觀察到負集電極電流Ic，電流變化相當突然(圖1d和2a)。在室溫下，隨著Vc的增加，電流突變超出了玻爾茲曼極限，其中最小SS在0.38–1.52?mV?dec?1范圍內(nèi)，SS小于60?mV?dec?1的電流范圍約為1至3個數(shù)量級，并且可能進一步增加(圖2b)。對于SS小于60?mV?dec?1的電流，平均SS為0.82?mV?dec?1至6.1?mV?dec?1，最大導通電流為73.9?μA?μm?1至165.2?μA?μm?1，這是報告的最佳結(jié)果之一(圖2c)。
熱載流子受激發(fā)射機制
由于Gr是p型，因此空穴是HOET中的主要導電載流子，突變的負Ic表示流出集電極的空穴電流突然增加，這既不是Gr/Ge結(jié)的正常反向漏電流，也不是基極-Gr/p-Ge結(jié)的正向電流。四種現(xiàn)象揭示了器件的工作機制。首先，傳輸特性依賴于溫度(圖2d)。其次，Ic突變時的臨界基極偏置Vb-critical隨Vc線性增加，Vc???Vb-critical約為0.7?V，導致基極-Gr/p-Ge結(jié)正向偏置(圖2e)。第三，在Vc的每個偏置下，Vb-critical會隨著間隙長度dgap的增加而增加(以5μm為步長從5μm增加到75μm;圖2f)。最后，Ic和Ie同時急劇增加(圖2g)。這些現(xiàn)象可以總結(jié)為，最初發(fā)射極-Gr/p-Ge結(jié)和基極-Gr/p-Ge結(jié)都處于反向偏置，當基極偏置增加到臨界值時，基極-Gr/p-Ge結(jié)充分正向偏置，因此發(fā)射極-Gr中大量的空穴會突然發(fā)射到Ge集電極中，而空穴會從發(fā)射極進入，以確保從發(fā)射極到集電極的連續(xù)電流。溫度越高，這種現(xiàn)象越明顯，間隙越短，臨界基極偏置越小。
最后，作者提出了一種熱載流子受激發(fā)射(SEHC)機制，使用器件的結(jié)構(gòu)圖(圖2h)和能帶圖(圖2i)來解釋這些現(xiàn)象。
圖2 超低 SS 和 SEHC 機制
負微分電阻
在HOET中，輸出特性Ic–Vc表現(xiàn)出明顯的NDR(圖1e和3a)。當集電極偏壓Vc增加時，Ic首先增加到峰值，然后減小到Gr/Ge結(jié)的反向電流。輸出特性與溫度有關(guān)，當溫度降低時，NDR逐漸消失(圖3b)，并且在每個Vb偏壓下，Ic達到最大值的電壓Vc-peak隨著間隙長度dgap的增加而減小(圖3c)。峰谷電流隨基極偏置Vb增大而增大(圖3d)，PVR從90.6增大到24.6(圖3d)。當Vb為-3V時，較高的PVR是由于Gr/Ge結(jié)的漏電流較小，最佳PVR為126。這個結(jié)果是使用Gr的器件中最高的值之一，高于任何使用Si和Ge技術(shù)的RSTT(圖3e)，也與使用二維材料的隧道器件的最佳結(jié)果相當。
這些現(xiàn)象符合SEHC機制：在輸出特性中，對于每一個負偏壓Vb，隨著負偏壓Vc的增加，發(fā)射極-Gr處的熱空穴被集電極收集，產(chǎn)生很大的負Ic，逐漸達到峰值電流;當Vc進一步增加時，基極-Gr/Ge結(jié)的偏壓由正向偏壓變?yōu)榉聪蚱珘?，載流子注入過程停止，產(chǎn)生谷值電流。
圖3 負微分電阻
多值邏輯技術(shù)
多功能HOET在各種應用中都有著廣闊的前景。作者使用三個HOET(T1-T3)與共發(fā)射極、共集電極(Ge襯底)和獨立基極1-3并聯(lián)來制作電路，由等效電路和器件符號說明(圖4a、b)。為了演示高反相器增益，作者使用一個基極電壓作為輸入信號(IN，以Vb3為例)，并且集電極電流Ic為輸出信號(OUT;圖4c)。首先，當Ic突變導致邏輯狀態(tài)改變時，反相器增益gm(跨導dIc/dVb3)較高，接近1?mA?μm?1?V?1，可用于制作低功耗MVL(圖4d)。其次，可以并聯(lián)更多HOET，使用簡單結(jié)構(gòu)實現(xiàn)五進制甚至更高進制的系統(tǒng)。第三，Ie對Vb3的依賴性也是四進制反相器的行為，這為電路設計提供了更大的靈活性(圖4e、f)。
為了演示可重新配置的邏輯狀態(tài)，作者研究了輸出特性Ic–Vc。當輸入邏輯信號為(2,1,0)時，若輸出邏輯信號為(0,1,2)，則該電路為三值數(shù)字邏輯反相器(圖4g)。如果輸出邏輯信號為(2,1,0)，則為三進制跟隨器(圖4h)。如果輸出邏輯信號為(0,2,1)，則可以用來構(gòu)造加法器(圖4i)。通過使用不同的基極偏置可以實現(xiàn)更多的可能性，并且可以并聯(lián)更多的HOET以實現(xiàn)更高的系統(tǒng)。
圖4 MVL技術(shù)的HOET
總 結(jié)
HOET采用基于混合維度材料的SEHC機制，為熱載流子晶體管家族提供了又一個成員，其產(chǎn)生的超低SS是報道值中最低的之一，而NDR效應中的PVR是Gr器件中最高的之一。通過結(jié)合正確的材料和器件結(jié)構(gòu)，HOET可以提供多功能高性能器件，在后摩爾時代的低功耗和NDR技術(shù)中具有潛在應用。
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