熱載流子晶體管是一類利用載流子過剩動能的器件。與依賴穩態載流子傳輸的常規晶體管不同，熱載流子晶體管將載流子調制到高能態，從而提高了器件速度和功能。這些特性對于要求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計算技術。然而，傳統的熱載流子產生機制要么是載流子注入，要么是加速，這限制了器件在功耗和負差分電阻方面的性能。混合維器件結合了塊狀和低維材料，通過利用能帶組合形成的不同勢壘，可以為熱載流子產生提供不同的機制。在這里，我們報告了一種基于雙混合維石墨烯/鍺肖特基結的熱發射極晶體管，該晶體管利用熱載流子的受激發射來實現低于1毫伏/十倍頻程的亞閾值擺幅，超過玻爾茲曼極限，并且在室溫下具有大于100的峰谷電流比的負微分電阻。進一步展示了具有高反相器增益和可重新配置邏輯狀態的多值邏輯。這項工作報告了一種多功能熱發射極晶體管，具有低功耗和負差分電阻應用的巨大潛力，標志著后摩爾時代的一個有希望的進步。
圖 1. a，晶體管結構圖，其中帶有缺口的單層Gr位于p-Ge襯底上(電阻率1–10ωcm)。兩個單獨的Gr層用作發射極(e)和基極(b ),通過HfO2窗口接觸Ge襯底，Ge襯底用作集電極(c ),電極為Ti/Au。晶體管的溝道長度和寬度被定義為HfO2窗口的長度和寬度。b是晶體管的橫截面圖，示出了在阿格襯底上具有間隙的單層Gr。使用光刻法制造間隙長度為2微米至75微米的晶體管，其中9個顯示在光學圖像中。刻度條，100 μm. d，傳遞特性Ic–Vb顯示負突然變化的集電極電流Ic，SS小于1mV dec 1，超過室溫下的Boltzmann限值。e，輸出特性Ic–Vc顯示NDR的PVR約為100。
圖 2. a、具有2微米間隙的晶體管的傳遞特性Ic–Vb，顯示集電極電流Ic突然變化，最小SS為0.38mV dec 1。b、SS–Ic關系顯示SS最小值為0.38mV dec 1至1.52mV dec 1，SS小于60 mV dec 1時的電流范圍約為1至3個數量級。c，晶體管的平均SS和最大導通電流的基準，SS小于60mV dec-1，與碰撞電離MOSFET(I-MOS)、耗盡型IMOS (DIMOS)、異質結隧道場效應晶體管(HJ-TFET)、黑磷隧道場效應晶體管(BP TFET)、異質結隧道三極管(HJ-TTs)、碳納米管隧道場效應晶體管(CNT TFET)和負電容場效應晶體管(NC-FET)相比，這是報告的最佳結果之一d、具有溫度相關電流行為的轉移特性。e，臨界基極偏置Vb-臨界當Ic開始突然增加時，隨Vc線性增加。對于不同的Vc偏置，隨著間隙長度dgap從5微米增加到75 μm g，器件顯示出增加的Vb臨界，隨著Ic突然增加，Ie也突然增加。h，I，Gr溝道中帶隙長度為dgap的晶體管的圖示(h)及其在Gr溝道附近的能帶圖(I)。
圖3. a、具有3微米間隙的晶體管的輸出特性Ic–Vc表示PVR。與溫度相關的輸出特性。c，對于Vb的不同偏置，具有從5微米到75微米增加的間隙長度dgap的器件顯示出降低的Vc峰值。d、峰值和谷值電流以及輸出特性中從90.6到24.6的相應PVR。e、與使用Si和Ge技術的Gr和RSTTs器件相比，我們器件的PVR基準。去吧，氧化石墨烯；六方氮化硼。
圖 4. a .在電路中，三個hoet(T1、T2和T3)與一個共Ti/Au發射極、一個共Ge集電極和分離基極并聯。b，使用器件符號的等效電路，顯示共發射極和共集電極以及分離的基極1-3。c，輸入(IN)和輸出(OUT)信號分別是電壓和電流。隨著Vb3的變化，Ic發生三次突變，表明該電路是一個四值數字邏輯反相器。當邏輯狀態改變時，反相器增益gm (dIc/dVb3)可以接近1 mA微米1 v1。e，f，Ie對Vb3的依賴性也是具有高反相器增益gm (dIe/dVb3) (f)的四進制反相器(e)的行為。g–I，當施加基極偏置的不同組合時，輸入邏輯信號Vc可以鏈接到不同的輸出邏輯信號ic，導致三進制數字邏輯反相器(g)、三進制跟隨器(h)和可用于構建加法器(I)的組件。
相關科研成果由中國科學院Dong-Ming Sun，Chi Liu和北京大學Li-Ning Zhang等人于2024年發表在Nature（https://doi.org/10.1038/s41586-024-07785-3）上。原文：A hot-emitter transistor based on stimulated emission of heated carriers
原文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41586-024-07785-3
轉自《石墨烯研究》公眾號
