尺寸小些、再小些，一直是晶體管研制的主要目標(biāo)。如何在縮小尺寸的同時(shí)，進(jìn)一步提升晶體管性能？
中國(guó)科學(xué)院金屬研究所碳基電子器件團(tuán)隊(duì)的一項(xiàng)成果展現(xiàn)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(lǐng)域的廣闊應(yīng)用前景。這項(xiàng)成果于去年8月發(fā)表在《自然》期刊上。業(yè)內(nèi)人士認(rèn)為，這項(xiàng)成果開辟了原創(chuàng)性的晶體管研究領(lǐng)域。
一組圖形，寥寥幾筆，一旁還標(biāo)有字母注釋，這是一張幾年前中國(guó)科學(xué)院金屬研究所研究員劉馳的速寫手稿，也是論文中“熱發(fā)射極晶體管”的雛形。“這次突破既是厚積薄發(fā)，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(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人孫東明研究員介紹，“三堵墻”分別是“尺寸墻”“存儲(chǔ)墻”“功耗墻”。他們團(tuán)隊(duì)的主要攻關(guān)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?yōu)闊彷d流子，從而提升晶體管的性能。但通過現(xiàn)有的方式，往往會(huì)出現(xiàn)熱載流子濃度和電流密度不足等問題，無法充分發(fā)揮晶體管的性能。
如何解題？材料的選用和耦合是重點(diǎn)。“石墨烯等材料具備優(yōu)異的電學(xué)和光電性能，且易與不同材料形成異質(zhì)結(jié)，從而產(chǎn)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(gè)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(jié)”，工作時(shí)，鍺向石墨烯基極注入高能載流子，隨后擴(kuò)散到發(fā)射極并激發(fā)熱載流子，從而形成突增的電流變化和負(fù)微分電阻。他說，“就像先為火箭裝入燃料，然后點(diǎn)火，燃料轉(zhuǎn)化為瞬時(shí)的能量推動(dòng)火箭發(fā)射”。
“從提出構(gòu)想到制備出器件，我們闖過了幾道難關(guān)。”劉馳說。2020年，完成準(zhǔn)備工作后，劉馳開始帶著學(xué)生制備器件。兩個(gè)多月過去了，他們制備了十幾個(gè)器件，但無一展現(xiàn)預(yù)想的性能。9月的一天，不甘心的劉馳進(jìn)行測(cè)試，終于檢測(cè)到第一個(gè)有性能的器件。“出現(xiàn)了電流劇烈增長(zhǎng)和負(fù)微分電阻現(xiàn)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(xué)生共同制備器件、測(cè)試性能，和團(tuán)隊(duì)分析討論，請(qǐng)北京大學(xué)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(lǐng)的團(tuán)隊(duì)就是其中之一。該團(tuán)隊(duì)對(duì)石墨烯材料頗有研究，成員馬來鵬研究員得知?jiǎng)ⅠY的科研需求后，主動(dòng)承擔(dān)起石墨烯材料的設(shè)計(jì)與制備工作。“馬老師提供了幾十次石墨烯材料，大幅度節(jié)省了科研時(shí)間。”劉馳說。
不斷制備、測(cè)試、優(yōu)化、再制備……最終，團(tuán)隊(duì)能夠穩(wěn)定制備這種新型晶體管，并大幅提高性能：傳統(tǒng)晶體管每讓電流提升1個(gè)數(shù)量級(jí)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(shí)現(xiàn)，同時(shí)在室溫下有明顯負(fù)微分電阻，展現(xiàn)出其在低功耗和多功能集成電路領(lǐng)域的廣闊應(yīng)用前景。
目前，中國(guó)科學(xué)院金屬研究所合作企業(yè)達(dá)600余家，為裝備制造、鋼鐵有色、航空航天、能源電力等行業(yè)提供關(guān)鍵材料和技術(shù)支持。成果發(fā)表后，孫東明、劉馳與團(tuán)隊(duì)成員來到遼寧省朝陽(yáng)市的一家公司，與企業(yè)人員探討產(chǎn)學(xué)研合作方向。
“我們團(tuán)隊(duì)做的是基礎(chǔ)研究，只有一個(gè)個(gè)成果累積起來，形成一套理論或一套專有技術(shù)，才具備科技成果轉(zhuǎn)化的可能。”孫東明說，“前路漫漫，只要不斷探索，就會(huì)有新突破。”
《 人民日?qǐng)?bào) 》（ 2025年07月12日 06 版）