文章來(lái)源：中國(guó)物理學(xué)會(huì)期刊網(wǎng)

原文作者：劉馳 等

本文介紹了具有低功耗的熱發(fā)射極晶體管的工作原理與制備方法等。

集成電路是現(xiàn)代信息技術(shù)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(fā)展，現(xiàn)代集成電路的集成度不斷提升，目前單個(gè)芯片上已經(jīng)可以集成數(shù)百億個(gè)晶體管。然而，晶體管的功耗問(wèn)題成為了限制集成電路進(jìn)一步發(fā)展的主要瓶頸。從電子器件的角度出發(fā)，克服該難題的關(guān)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(gè)數(shù)量級(jí)所需要的柵極電壓變化。然而，傳統(tǒng)金屬—半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管(MOSFET)的亞閾值擺幅受限于載流子的玻爾茲曼分布，無(wú)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(jī)制和調(diào)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(tài)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(fā)明了隧穿晶體管，成功實(shí)現(xiàn)了突破玻爾茲曼極限的亞閾值擺幅；通過(guò)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(fā)明了負(fù)電容場(chǎng)效應(yīng)晶體管，利用負(fù)電容效應(yīng)使半導(dǎo)體的實(shí)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(lèi)型的新原理晶體管。然而，這些晶體管通常存在開(kāi)態(tài)電流較小和特性曲線回滯較大等問(wèn)題，因此，該領(lǐng)域仍鼓勵(lì)基于新物理機(jī)制構(gòu)建超低功耗晶體管的探索。

在通常情況下，載流子與周?chē)Ц裉幱跓崞胶鉅顟B(tài)，被稱(chēng)為“熱平衡載流子”，在前述晶體管中，無(wú)論是MOSFET等傳統(tǒng)晶體管，還是隧穿晶體管等新原理晶體管，通常都是通過(guò)調(diào)控?zé)崞胶廨d流子，從而實(shí)現(xiàn)器件的導(dǎo)通和關(guān)斷，這就在載流子輸運(yùn)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(shí)現(xiàn)高性能新原理晶體管的關(guān)鍵科學(xué)挑戰(zhàn)之一。

通過(guò)電場(chǎng)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(guò)熱平衡載流子的平均動(dòng)能，以及更高的能量和速度，因而具有產(chǎn)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(lái)石墨烯等低維材料展現(xiàn)出了優(yōu)異的物理特性，其具有的原子級(jí)厚度和優(yōu)異的電學(xué)、光電性能，無(wú)表面懸鍵，易于與其他材料形成異質(zhì)結(jié)從而產(chǎn)生豐富的能帶組合等優(yōu)勢(shì)，為發(fā)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(fā)明了一種由石墨烯和鍺等混合維度材料體系構(gòu)成的熱發(fā)射極晶體管，提出了一種全新的“受激發(fā)射”熱載流子生成機(jī)制，器件電流密度顯著提升，實(shí)現(xiàn)了低于1mV/dec的超低亞閾值擺幅，超過(guò)100μA/μm的開(kāi)態(tài)電流，并在室溫下展現(xiàn)出峰谷電流比超過(guò)100的負(fù)微分電阻，在已報(bào)道的結(jié)果中處于優(yōu)勢(shì)地位，為后摩爾時(shí)代構(gòu)筑低功耗和多功能晶體管提供了原創(chuàng)性研究思路。

熱發(fā)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(guò)氧化鉿(HfO2)窗口與鍺襯底相接觸，利用標(biāo)準(zhǔn)光刻工藝在溝道中制備狹縫將石墨烯分割為發(fā)射極(發(fā)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(guò)程中，首先在鍺襯底上沉積HfO2，然后通過(guò)電子束蒸發(fā)制備鈦/金電極，再采用反應(yīng)離子刻蝕技術(shù)在HfO2上開(kāi)孔以暴露鍺襯底，最后通過(guò)鼓泡轉(zhuǎn)移法將高質(zhì)量的單層石墨烯轉(zhuǎn)移至鍺襯底上，并采用氧等離子體對(duì)其進(jìn)行圖形化，最終形成具有雙石墨烯/鍺肖特基結(jié)的器件結(jié)構(gòu)。

圖1 熱發(fā)射極晶體管器件結(jié)構(gòu) (a)晶體管結(jié)構(gòu)示意圖；(b)晶體管的橫截面圖

與傳統(tǒng)熱載流子晶體管不同，熱發(fā)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(gè)數(shù)量級(jí)時(shí)所需電壓小于1mV，遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)晶體管所需的60mV，同時(shí)開(kāi)態(tài)電流可達(dá)100μA/μm以上，這是目前報(bào)道的最佳結(jié)果之一，充分展示出其作為超低功耗器件的廣闊前景。同時(shí)，熱發(fā)射極晶體管還可作為一種新型負(fù)微分電阻器件，展現(xiàn)出優(yōu)異的負(fù)微分電阻特性(圖2(b))，其峰谷電流比(PVR)在室溫下可以超過(guò)100，這是已報(bào)道石墨烯器件中的最高值，同時(shí)顯著高于基于硅、鍺技術(shù)的實(shí)空間轉(zhuǎn)移晶體管。

圖2 熱發(fā)射極晶體管基本性能 (a)轉(zhuǎn)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(fù)微分電阻

熱發(fā)射極晶體管的優(yōu)異性能得益于其獨(dú)特的熱載流子受激發(fā)射機(jī)制(SEHC)。該機(jī)制主要由四個(gè)過(guò)程構(gòu)成(圖3(a)，(b))：載流子的加熱、注入、擴(kuò)散和發(fā)射。在載流子加熱過(guò)程中，施加在基極Gr上的電壓(Vb)和電場(chǎng)加速了發(fā)射極Gr中的空穴，使其轉(zhuǎn)變?yōu)闊峥昭āＨ欢@些熱空穴的能量仍不足以克服發(fā)射極Gr與Ge之間的勢(shì)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(kuò)散過(guò)程中，注入的高能空穴通過(guò)擴(kuò)散方式越過(guò)“基極Gr/Ge/發(fā)射極Gr”結(jié)構(gòu)勢(shì)壘；在載流子發(fā)射階段，能量更高的空穴通過(guò)載流子—載流子散射(CCS)過(guò)程將其能量傳遞給發(fā)射極中的熱空穴，使后者轉(zhuǎn)變?yōu)槭芗ぐl(fā)射的載流子，這些受激載流子又參與到CCS過(guò)程中，產(chǎn)生載流子倍增現(xiàn)象，最終引起了轉(zhuǎn)移特性中的電流突變。這一機(jī)制也可以用來(lái)解釋輸出特性中的負(fù)微分電阻現(xiàn)象，即隨著Vc的增加，發(fā)射極Gr中的熱空穴被集電極收集，導(dǎo)致負(fù)Ic電流逐漸達(dá)到峰值；而當(dāng)Vc進(jìn)一步增加時(shí)，基極Gr/Ge結(jié)的偏置由正向變?yōu)榉聪颍d流子注入過(guò)程停止，從而出現(xiàn)谷電流。

圖3 熱載流子受激發(fā)射機(jī)制 (a，b)熱發(fā)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(zhuǎn)移特性曲線及輸出特性曲線

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