近日，由中國科學院金屬研究所劉馳、孫東明研究員和成會明院士主導，與任文才團隊和北京大學張立寧團隊合作使用石墨烯等低維材料，構建了一種既可以降低功耗、又具有「負電阻」等功能的熱發射極晶體管，有望用於設計集成度更高、功能更豐富的集成電路。相關成果以「一種基於載流子可控受激發射的熱發射極晶體管」為題發，表於《自然》期刊上。

近年來，隨著晶體管尺寸不斷縮小，其進一步發展在速度和功耗等方面面臨著眾多挑戰，尋找具有新工作原理的晶體管已經成為製備高性能集成電路的關鍵。正如水龍頭可以控制水管中的水流，晶體管可以控制電路中由電子或空穴等「載流子」形成的電流。一般情況下，載流子與周圍環境處於熱平衡狀態，即「穩態」；然而通過給載流子加速等辦法，可以使其能量升高，變為「熱載流子」，使用這種高能載流子可以提升晶體管的工作速度和功能，有望突破其發展所面臨的限制。然而，採用現有方法生成的熱載流子濃度和電流密度不足，未能展示出熱載流子晶體管的真正性能。

石墨烯等低維材料具有原子級厚度、優異的電學和光電性能，且無表面懸鍵，易與不同材料形成異質結從而產生豐富的能帶組合。基於此，科研人員提出了使用石墨烯等低維材料、通過可控調製熱載流子以提高電流密度的研究思路，發明了一種「受激發射」新型熱載流子生成機制，並構建了熱發射極晶體管。該晶體管採用了兩個由石墨烯和鍺形成的「肖特基結」，在器件工作時，鍺向石墨烯基極注入了高能載流子，它們隨後擴散到石墨烯發射極並激發其中已被電場預加熱的載流子，一起形成了突增的電流變化和負微分電阻。

據瞭解，這項工作開闢了原創性的晶體管研究領域，為熱載流子晶體管家族引入了新成員，展現了熱載流子晶體管作為低功耗、多功能器件在未來高性能集成電路領域的廣闊應用前景。◇