北京
本报记者 刘佳华
尺寸小些、再小些，一直是晶体管研制的主要目标。如何在缩小尺寸的同时，进一步提升晶体管性能？
中国科学院金属研究所碳基电子器件团队的一项成果展现了热载流子晶体管作为低功耗、多功能器件在未来高性能集成电路领域的广阔应用前景。这项成果于去年8月发表在《自然》期刊上。业内人士认为，这项成果开辟了原创性的晶体管研究领域。
一组图形，寥寥几笔，一旁还标有字母注释，这是一张几年前中国科学院金属研究所研究员刘驰的速写手稿，也是论文中“热发射极晶体管”的雏形。“这次突破既是厚积薄发，又是水到渠成。”刘驰说。
“提升晶体管性能，主要面临‘三堵墙’。”论文的通讯作者之一、金属所碳基电子器件团队负责人孙东明研究员介绍，“三堵墙”分别是“尺寸墙”“存储墙”“功耗墙”。他们团队的主要攻关方向，便是“功耗墙”。
就像水龙头能控制水流，晶体管能控制电路中由载流子形成的电流。通过给载流子加速等方式，可使其能量升高，变为热载流子，从而提升晶体管的性能。但通过现有的方式，往往会出现热载流子浓度和电流密度不足等问题，无法充分发挥晶体管的性能。
如何解题？材料的选用和耦合是重点。“石墨烯等材料具备优异的电学和光电性能，且易与不同材料形成异质结，从而产生丰富的能带组合。”刘驰提出了研究思路。
2019年底的一天早上，一个想法突然“击中”了刘驰，他随手画在白板上：晶体管采用石墨烯和锗形成“肖特基结”，工作时，锗向石墨烯基极注入高能载流子，随后扩散到发射极并激发热载流子，从而形成突增的电流变化和负微分电阻。他说，“就像先为火箭装入燃料，然后点火，燃料转化为瞬时的能量推动火箭发射”。
“从提出构想到制备出器件，我们闯过了几道难关。”刘驰说。2020年，完成准备工作后，刘驰开始带着学生制备器件。两个多月过去了，他们制备了十几个器件，但无一展现预想的性能。9月的一天，不甘心的刘驰进行测试，终于检测到第一个有性能的器件。“出现了电流剧烈增长和负微分电阻现象!”刘驰回忆，“就像看到黑暗中的第一缕光，这就是科研的魅力所在。”
此后，刘驰带着学生共同制备器件、测试性能，和团队分析讨论，请北京大学张立宁教授等开展器件仿真和建模研究……
器件制备成功，离不开多方合力，金属所任文才研究员带领的团队就是其中之一。该团队对石墨烯材料颇有研究，成员马来鹏研究员得知刘驰的科研需求后，主动承担起石墨烯材料的设计与制备工作。“马老师提供了几十次石墨烯材料，大幅度节省了科研时间。”刘驰说。
不断制备、测试、优化、再制备……最终，团队能够稳定制备这种新型晶体管，并大幅提高性能：传统晶体管每让电流提升1个数量级至少需要60毫伏的电压，而新型晶体管使用小于1毫伏的电压就可以实现，同时在室温下有明显负微分电阻，展现出其在低功耗和多功能集成电路领域的广阔应用前景。
目前，中国科学院金属研究所合作企业达600余家，为装备制造、钢铁有色、航空航天、能源电力等行业提供关键材料和技术支持。成果发表后，孙东明、刘驰与团队成员来到辽宁省朝阳市的一家公司，与企业人员探讨产学研合作方向。
“我们团队做的是基础研究，只有一个个成果累积起来，形成一套理论或一套专有技术，才具备科技成果转化的可能。”孙东明说，“前路漫漫，只要不断探索，就会有新突破。”
《 人民日报 》( 2025年07月12日 06 版)
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