文章來源：中國物理學會期刊網

原文作者：劉馳 等

本文介紹了具有低功耗的熱發射極晶體管的工作原理與制備方法等。

集成電路是現代信息技術的基石，而晶體管則是集成電路的基本單元。沿著摩爾定律發展，現代集成電路的集成度不斷提升，目前單個芯片上已經可以集成數百億個晶體管。然而，晶體管的功耗問題成為了限制集成電路進一步發展的主要瓶頸。從電子器件的角度出發，克服該難題的關鍵方法之一是降低晶體管的亞閾值擺幅(subthreshold swing，SS)，即減少使晶體管電流變化一個數量級所需要的柵極電壓變化。然而，傳統金屬—半導體場效應管(MOSFET)的亞閾值擺幅受限于載流子的玻爾茲曼分布，無法低于60mV/dec，因此探索具有新工作原理的器件已成為晶體管研究中最重要的方向之一。為此，研究人員從晶體管的電阻生成機制和調控方式兩方面著手，提出了多種具有超低亞閾值擺幅的新原理晶體管。例如，人們使用靜態電容控制帶間隧穿，利用硅、鍺和三五族等體材料以及碳納米管、二維材料等低維材料發明了隧穿晶體管，成功實現了突破玻爾茲曼極限的亞閾值擺幅；通過使用鈣鈦礦、HfO2基鐵電體、二維鐵電材料等鐵電體替代MOSFET中的普通介電層，科研人員發明了負電容場效應晶體管，利用負電容效應使半導體的實際分壓大于柵極施加電壓的方式，從而突破玻爾茲曼極限；此外，還存在諸多其他類型的新原理晶體管。然而，這些晶體管通常存在開態電流較小和特性曲線回滯較大等問題，因此，該領域仍鼓勵基于新物理機制構建超低功耗晶體管的探索。

在通常情況下，載流子與周圍晶格處于熱平衡狀態，被稱為“熱平衡載流子”，在前述晶體管中，無論是MOSFET等傳統晶體管，還是隧穿晶體管等新原理晶體管，通常都是通過調控熱平衡載流子，從而實現器件的導通和關斷，這就在載流子輸運速度等方面限制了器件的性能和功耗的降低。如何突破熱平衡載流子的限制是實現高性能新原理晶體管的關鍵科學挑戰之一。

通過電場加速等方法，可以提升載流子的能量，使其成為“熱載流子”，由于其具有顯著超過熱平衡載流子的平均動能，以及更高的能量和速度，因而具有產生劇烈電流變化并突破玻爾茲曼極限的潛力。特別是近年來石墨烯等低維材料展現出了優異的物理特性，其具有的原子級厚度和優異的電學、光電性能，無表面懸鍵，易于與其他材料形成異質結從而產生豐富的能帶組合等優勢，為發展基于熱載流子的晶體管提供了新的思路。基于此，研究人員發明了一種由石墨烯和鍺等混合維度材料體系構成的熱發射極晶體管，提出了一種全新的“受激發射”熱載流子生成機制，器件電流密度顯著提升，實現了低于1mV/dec的超低亞閾值擺幅，超過100μA/μm的開態電流，并在室溫下展現出峰谷電流比超過100的負微分電阻，在已報道的結果中處于優勢地位，為后摩爾時代構筑低功耗和多功能晶體管提供了原創性研究思路。

熱發射極晶體管主要由單層石墨烯(Gr)溝道和p型鍺(Ge)襯底組成。石墨烯通過氧化鉿(HfO2)窗口與鍺襯底相接觸，利用標準光刻工藝在溝道中制備狹縫將石墨烯分割為發射極(發射極Gr)和基極(基極Gr)兩部分，鍺襯底則作為集電極(圖1)。制備過程中，首先在鍺襯底上沉積HfO2，然后通過電子束蒸發制備鈦/金電極，再采用反應離子刻蝕技術在HfO2上開孔以暴露鍺襯底，最后通過鼓泡轉移法將高質量的單層石墨烯轉移至鍺襯底上，并采用氧等離子體對其進行圖形化，最終形成具有雙石墨烯/鍺肖特基結的器件結構。

圖1 熱發射極晶體管器件結構 (a)晶體管結構示意圖；(b)晶體管的橫截面圖

與傳統熱載流子晶體管不同，熱發射極晶體管的亞閾值擺幅(SS)可低于1mV/dec(圖2(a))，即器件電流變化一個數量級時所需電壓小于1mV，遠低于傳統晶體管所需的60mV，同時開態電流可達100μA/μm以上，這是目前報道的最佳結果之一，充分展示出其作為超低功耗器件的廣闊前景。同時，熱發射極晶體管還可作為一種新型負微分電阻器件，展現出優異的負微分電阻特性(圖2(b))，其峰谷電流比(PVR)在室溫下可以超過100，這是已報道石墨烯器件中的最高值，同時顯著高于基于硅、鍺技術的實空間轉移晶體管。

圖2 熱發射極晶體管基本性能 (a)轉移特性曲線顯示集電極電流(Ic)的急劇變化超越了玻爾茲曼極限；(b)輸出特性曲線顯示出負微分電阻

熱發射極晶體管的優異性能得益于其獨特的熱載流子受激發射機制(SEHC)。該機制主要由四個過程構成(圖3(a)，(b))：載流子的加熱、注入、擴散和發射。在載流子加熱過程中，施加在基極Gr上的電壓(Vb)和電場加速了發射極Gr中的空穴，使其轉變為熱空穴。然而這些熱空穴的能量仍不足以克服發射極Gr與Ge之間的勢壘；在載流子注入階段，施加正向偏壓后，空穴從鍺襯底注入到基極的石墨烯中，形成高能空穴；隨后，在載流子擴散過程中，注入的高能空穴通過擴散方式越過“基極Gr/Ge/發射極Gr”結構勢壘；在載流子發射階段，能量更高的空穴通過載流子—載流子散射(CCS)過程將其能量傳遞給發射極中的熱空穴，使后者轉變為受激發射的載流子，這些受激載流子又參與到CCS過程中，產生載流子倍增現象，最終引起了轉移特性中的電流突變。這一機制也可以用來解釋輸出特性中的負微分電阻現象，即隨著Vc的增加，發射極Gr中的熱空穴被集電極收集，導致負Ic電流逐漸達到峰值；而當Vc進一步增加時，基極Gr/Ge結的偏置由正向變為反向，載流子注入過程停止，從而出現谷電流。

圖3 熱載流子受激發射機制 (a，b)熱發射極晶體管示意圖及其在Gr溝道附近的能帶圖；(c，d)碳納米管制備的n型器件的轉移特性曲線及輸出特性曲線

基于熱載流子的受激發射機制，研究人員也使用碳納米管制備了n型器件，實現了超低亞閾值擺幅和負微分電阻，驗證了該機制的普適性(圖3(c)，(d))。同時，利用器件的特性，還構建了具有陡峭電流變化和可編程能力的多值計算邏輯電路，展示了器件在多值邏輯計算領域的巨大應用潛力。熱發射極晶體管開辟了晶體管研究的新領域，為熱載流子晶體管家族增添了新成員，并有望推動未來低功耗、多功能集成電路中的應用發展。