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常规晶体管不同，热载流子晶体管将载流子调制到高能态，从而提高了器件速度和功能。这些特性对于要求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要么是载流子注入，要么是加速，这限制了器件在功耗和负差分电阻方面的性能。混合维器件结合了块状和低维材料，通过利用能带组合形成的不同势垒，可以为热载流子产生提供不同的机制。在这里，我们报告了一种基于双混合维石墨烯/锗肖特基结的热发射极晶体管，该晶体管利用热载流子的受激发射来实现低于1毫伏/十倍频程的亚阈值摆幅，超过玻尔兹曼极限，并且在室温下具有大于100的峰谷电流比的负微分电阻。进一步展示了具有高反相器增益和可重新配置逻辑状态的多值逻辑。这项工作报告了一种多功能热发射极晶体管，具有低功耗和负差分电阻应用的巨大潜力，标志着后摩尔时代的一个有希望的进步。
 
 
图 1. a，晶体管结构图，其中带有缺口的单层Gr位于p-Ge衬底上(电阻率1–10ωcm)。两个单独的Gr层用作发射极(e)和基极(b ),通过HfO2窗口接触Ge衬底，Ge衬底用作集电极(c ),电极为Ti/Au。晶体管的沟道长度和宽度被定义为HfO2窗口的长度和宽度。b是晶体管的横截面图，示出了在阿格衬底上具有间隙的单层Gr。使用光刻法制造间隙长度为2微米至75微米的晶体管，其中9个显示在光学图像中。刻度条，100 μm. d，传递特性Ic–Vb显示负突然变化的集电极电流Ic，SS小于1mV dec 1，超过室温下的Boltzmann限值。e，输出特性Ic–Vc显示NDR的PVR约为100。
 
 
图 2. a、具有2微米间隙的晶体管的传递特性Ic–Vb，显示集电极电流Ic突然变化，最小SS为0.38mV dec 1。b、SS–Ic关系显示SS最小值为0.38mV dec 1至1.52mV dec 1，SS小于60 mV dec 1时的电流范围约为1至3个数量级。c，晶体管的平均SS和最大导通电流的基准，SS小于60mV dec-1，与碰撞电离MOSFET(I-MOS)、耗尽型IMOS (DIMOS)、异质结隧道场效应晶体管(HJ-TFET)、黑磷隧道场效应晶体管(BP TFET)、异质结隧道三极管(HJ-TTs)、碳纳米管隧道场效应晶体管(CNT TFET)和负电容场效应晶体管(NC-FET)相比，这是报告的最佳结果之一d、具有温度相关电流行为的转移特性。e，临界基极偏置Vb-临界当Ic开始突然增加时，随Vc线性增加。对于不同的Vc偏置，随着间隙长度dgap从5微米增加到75 μm g，器件显示出增加的Vb临界，随着Ic突然增加，Ie也突然增加。h，I，Gr沟道中带隙长度为dgap的晶体管的图示(h)及其在Gr沟道附近的能带图(I)。
 
 
图3. a、具有3微米间隙的晶体管的输出特性Ic–Vc表示PVR。与温度相关的输出特性。c，对于Vb的不同偏置，具有从5微米到75微米增加的间隙长度dgap的器件显示出降低的Vc峰值。d、峰值和谷值电流以及输出特性中从90.6到24.6的相应PVR。e、与使用Si和Ge技术的Gr和RSTTs器件相比，我们器件的PVR基准。去吧，氧化石墨烯；六方氮化硼。
 
 
图 4. a .在电路中，三个hoet(T1、T2和T3)与一个共Ti/Au发射极、一个共Ge集电极和分离基极并联。b，使用器件符号的等效电路，显示共发射极和共集电极以及分离的基极1-3。c，输入(IN)和输出(OUT)信号分别是电压和电流。随着Vb3的变化，Ic发生三次突变，表明该电路是一个四值数字逻辑反相器。当逻辑状态改变时，反相器增益gm (dIc/dVb3)可以接近1 mA微米1 v1。e，f，Ie对Vb3的依赖性也是具有高反相器增益gm (dIe/dVb3) (f)的四进制反相器(e)的行为。g–I，当施加基极偏置的不同组合时，输入逻辑信号Vc可以链接到不同的输出逻辑信号ic，导致三进制数字逻辑反相器(g)、三进制跟随器(h)和可用于构建加法器(I)的组件。
 
       相关科研成果由中国科学院Dong-Ming Sun，Chi Liu和北京大学Li-Ning Zhang等人于2024年发表在Nature（https://doi.org/10.1038/s41586-024-07785-3）上。原文：A hot-emitter transistor based on stimulated emission of heated carriers
原文链接：https://doi.org/10.1038/s41586-024-07785-3

转自《石墨烯研究》公众号