晶體管“功耗墻”，這樣突破
尺寸小些、再小些，一直是晶體管研制的主要目標。如何在縮小尺寸的同時，進一步提升晶體管性能？
中國科學院金屬研究所碳基電子器件團隊的一項成果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。這項成果于去年8月發表在《自然》期刊上。業內人士認為，這項成果開辟了原創性的晶體管研究領域。
一組圖形，寥寥幾筆，一旁還標有字母注釋，這是一張幾年前中國科學院金屬研究所研究員劉馳的速寫手稿，也是論文中“熱發射極晶體管”的雛形。“這次突破既是厚積薄發，又是水到渠成。”劉馳說。
“提升晶體管性能，主要面臨‘三堵墻’。”論文的通訊作者之一、金屬所碳基電子器件團隊負責人孫東明研究員介紹，“三堵墻”分別是“尺寸墻”“存儲墻”“功耗墻”。他們團隊的主要攻關方向，便是“功耗墻”。
就像水龍頭能控制水流，晶體管能控制電路中由載流子形成的電流。通過給載流子加速等方式，可使其能量升高，變為熱載流子，從而提升晶體管的性能。但通過現有的方式，往往會出現熱載流子濃度和電流密度不足等問題，無法充分發揮晶體管的性能。
如何解題？材料的選用和耦合是重點。“石墨烯等材料具備優異的電學和光電性能，且易與不同材料形成異質結，從而產生豐富的能帶組合。”劉馳提出了研究思路。
2019年底的一天早上，一個想法突然“擊中”了劉馳，他隨手畫在白板上：晶體管采用石墨烯和鍺形成“肖特基結”，工作時，鍺向石墨烯基極注入高能載流子，隨后擴散到發射極并激發熱載流子，從而形成突增的電流變化和負微分電阻。他說，“就像先為火箭裝入燃料，然后點火，燃料轉化為瞬時的能量推動火箭發射”。
“從提出構想到制備出器件，我們闖過了幾道難關。”劉馳說。2020年，完成準備工作后，劉馳開始帶著學生制備器件。兩個多月過去了，他們制備了十幾個器件，但無一展現預想的性能。9月的一天，不甘心的劉馳進行測試，終于檢測到第一個有性能的器件。“出現了電流劇烈增長和負微分電阻現象！”劉馳回憶，“就像看到黑暗中的第一縷光，這就是科研的魅力所在。”
此后，劉馳帶著學生共同制備器件、測試性能，和團隊分析討論，請北京大學張立寧教授等開展器件仿真和建模研究……
器件制備成功，離不開多方合力，金屬所任文才研究員帶領的團隊就是其中之一。該團隊對石墨烯材料頗有研究，成員馬來鵬研究員得知劉馳的科研需求后，主動承擔起石墨烯材料的設計與制備工作。“馬老師提供了幾十次石墨烯材料，大幅度節省了科研時間。”劉馳說。
不斷制備、測試、優化、再制備……最終，團隊能夠穩定制備這種新型晶體管，并大幅提高性能：傳統晶體管每讓電流提升1個數量級至少需要60毫伏的電壓，而新型晶體管使用小于1毫伏的電壓就可以實現，同時在室溫下有明顯負微分電阻，展現出其在低功耗和多功能集成電路領域的廣闊應用前景。
目前，中國科學院金屬研究所合作企業達600余家，為裝備制造、鋼鐵有色、航空航天、能源電力等行業提供關鍵材料和技術支持。成果發表后，孫東明、劉馳與團隊成員來到遼寧省朝陽市的一家公司，與企業人員探討產學研合作方向。
“我們團隊做的是基礎研究，只有一個個成果累積起來，形成一套理論或一套專有技術，才具備科技成果轉化的可能。”孫東明說，“前路漫漫，只要不斷探索，就會有新突破。”
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