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研究快讯

低功耗热发射极晶体管2024－08－22收到

†email：chiliu@imr.ac.cn

1，2，†1，21，2，††††email：dmsun@imr.ac.cn

刘驰王鑫哲孙东明

(1中国科学院金属研究所沈阳材料科学国家研究中心沈阳110016)DOI：10.7693/w

(2中国科学技术大学材料科学与工程学院沈阳110016)CSTR：32040.14.w

集成电路是现代信息技术的基石，而晶体管容效应使半导体的实际分压大于栅极施加电压的

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则是集成电路的基本单元。沿着摩尔定律发展，方式，从而突破玻尔兹曼极限；此外，还存

现代集成电路的集成度不断提升，目前单个芯片在诸多其他类型的新原理晶体管。然而，这些晶

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上已经可以集成数百亿个晶体管。然而，晶体体管通常存在开态电流较小和特性曲线回滞较大

管的功耗问题成为了限制集成电路进一步发展的等问题，因此，该领域仍鼓励基于新物理机制构

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主要瓶颈。从电子器件的角度出发，克服该难建超低功耗晶体管的探索。

题的关键方法之一是降低晶体管的亚阈值摆幅在通常情况下，载流子与周围晶格处于热平

(subthresholdswing，SS)，即减少使晶体管电流变衡状态，被称为“热平衡载流子”，在前述晶体管

化一个数量级所需要的栅极电压变化。然而，传中，无论是MOSFET等传统晶体管，还是隧穿晶

统金属—半导体场效应管(MOSFET)的亚阈值摆体管等新原理晶体管，通常都是通过调控热平衡

幅受限于载流子的玻尔兹曼分布，无法低于载流子，从而实现器件的导通和关断，这就在载

60mV/dec[4]，因此探索具有新工作原理的器件已流子输运速度等方面限制了器件的性能和功耗的

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成为晶体管研究中最重要的方向之一。为此，降低。如何突破热平衡载流子的限制是实现高性

研究人员从晶体管的电阻生成机制和调控方式两能新原理晶体管的关键科学挑战之一。

方面着手，提出了多种具有超低亚阈值摆幅的新通过电场加速等方法，可以提升载流子的能

原理晶体管。例如，人们使用静态电容控制带间量，使其成为“热载流子”，由于其具有显著超过

隧穿，利用硅、锗和三五族等体材料以及碳纳米热平衡载流子的平均动能，以及更高的能量和速

管、二维材料等低维材料发明了隧穿晶体管，成