信电学院在热电子晶体管研究领域取得进展

编辑：xdx 日期：2018-03-28 08:08 访问次数：801

热电子晶体管器（Hot Electron Transistor, HET）作为三端晶体管家族一个独立的分支，不同于目前主流逻辑电路中的场效应晶体管 (Field Effect Transistor, FET)，也不同于传统模拟电路中的双极晶体管 (Bipolar Junction Transistor, BJT)。早在1960年，Mead为了克服双极晶体管中少数载流子存储时间限制器件速度的问题，提出了热电子晶体管的概念。热电子的温度一般要高于晶格温度，热电子晶体管是依靠热电子携带输入信息,并使之在器件中放大。这种器件具有工作速度高, 使用一个器件就可以完成多种复杂的逻辑功能等优点。

徐杨教授小组首次提出并研制了全二维的热电子晶体管（如图1所示），该器件灵感来源于上世纪六十年代提出的转移热电子放大器，其核心思想是控制高能量的电子以弹道输运方式通过器件的基极，以保证器件在高频领域的应用。历史上由于传统体材料做薄之后无法避免穿孔效应和缺陷，以及界面之间严重的散射等问题，导致器件性能在过去的50多年以来一直无法达到理想水平。而二维材料由于天然的原子层厚度、干净的表面可以解决以上问题。通过堆叠方式制备二维材料的异质结，通过不断改善工艺来获得干净的界面，在实验中比较多种材料之后，选择宽带隙的氮化硼和相对窄带隙的硒化钨作为器件的两个势垒层，用厚度小于1 nm的少层石墨烯做基极，获得了热电子收集效率接近100%的晶体管性能。用薄的石墨烯做基极使得电子的传输沟道控制在1 nm以下，确保电子输运过程中受到几乎不受散射，并有可能获得极高的工作频率。实验中观察到了大于99.5%的收集效率，以及明显的饱和收集现象。

以HET为对象，通过变换发射极、基极以及集电极材料，可以系统地研究基区热电子的输运过程，包括电子间散射 (俄歇过程和反俄歇过程)、电子和声子的弛豫过程。这种全二维的热电子晶体管或将为研究高速二维电子气的输运和热电子能谱提供全新的实验手段。

该工作近日发表在IEEE Electron Device Letters上，被IEEE 主编（Editor-in-Chief, Prof. Tsu-Jae King Liu at University of California Berkeley ）选为Editor’s Pick 论文，并在期刊封面highlighted (图2所示), 论文链接为http://ieeexplore.ieee.org/document/8304632/。该研究在开展过程中得到了杨建义、李尔平、高超、章献民、尹文言、余学功、董树荣、程志渊、陈红胜、徐明生、皮孝东、赵毅、朱海明、戴道锌、马向阳、童利民等教授和杨德仁院士团队成员与学生的帮助，在此表示衷心感谢。该研究受到了国家自然科学基金项目（61674127，61474099）、浙江省自然科学重点基金项目（LZ17F040001）和国家重点研发计划（2016YFA0200204），浙江省先进微纳电子器件智能系统及应用重点实验室, ZJU-UIUC联合学院和硅材料国家重点实验室开放基金的支持与资助。

图1. 全二维热电子晶体管的结构图和在不同I_E下，I_C随V_CB的变化实验曲线。

图2. 全二维热电子晶体管工作与其他6篇论文一起被IEEE-EDL期刊封面Highlighted。