中国网/中国发展门户网讯 由中国科学院金属研究所刘驰研究员、孙东明研究员和成会明院士主导，与任文才团队和北京大学张立宁团队合作，通过可控调制热载流子来提高电流密度，发明了一种由石墨烯和锗等混合维度材料构成的“热发射极”晶体管，并提出了一种全新的“受激发射”热载流子生成机制。该项研究成果于8月15日以论文形式发表在《自然》期刊上。

晶体管是集成电路的基本单元。随着晶体管尺寸的不断缩小，其进一步发展的技术挑战日益增多。因此，探索具有新工作原理的晶体管，已成为提升集成电路性能的关键。晶体管能够调控由电子或空穴等载流子形成电流的大小。在通常情况下，载流子与周围环境处于热平衡状态，称为“稳态”；但通过电场加速等方法，可以提升载流子的能量，使其成为“热载流子”。如果能够有效操控这种高能的热载流子，并提高其浓度，将有望进一步提升晶体管的速度和功能。石墨烯等低维材料凭借其原子级厚度、优异的电学与光电性能，以及无表面悬键等特性，易于与其他材料形成异质结，从而产生丰富的能带组合，为热载流子晶体管的发展提供了全新思路。

据了解，此次研究成果新型晶体管由两个耦合的“石墨烯/锗”肖特基结组成。载流子由石墨烯基极注入，随后扩散到发射极，并激发出受电场加热的载流子，从而导致电流急剧增加。这一设计实现了低于1 mV/dec的亚阈值摆幅，突破了传统晶体管的玻尔兹曼极限（60 mV/dec）。此外，该晶体管在室温下还表现出峰谷电流比超过100的负微分电阻，展示出其在多值逻辑计算中的应用潜力。

该工作开辟了晶体管器件研究的新领域，为热载流子晶体管家族增添了新成员，并有望推动其在未来低功耗、多功能集成电路中广泛应用。

载流子的受激发射效果图