晶体管“功耗墙”，这样突破（硬核科技的创新故事）

来源：【人民日报】

您是否曾想过，晶体管如何不断突破极限？尺寸小些、再小些，一直是研发的核心目标。但关键挑战在于：如何在微缩化进程中，同步提升性能？

中国科学院金属研究所碳基电子器件团队的创新成果，展示了热载流子晶体管在未来低功耗、多功能集成电路中的巨大潜力。该研究于去年8月发表于《自然》期刊，被业界誉为开辟了原创性晶体管新领域。

几年前，研究员刘驰的一幅速写手稿——简单图形配以注释，成为论文中“热发射极晶体管”的雏形。“这次突破是长期积累与机遇的碰撞。”刘驰感慨道。

论文通讯作者孙东明研究员指出，晶体管性能提升面临“三堵墙”：尺寸墙、存储墙和功耗墙。团队主攻方向正是“功耗墙”突围。

晶体管如同电路中的智能水阀，调控载流子形成的电流。通过加速载流子产生热载流子，可提升性能，但传统方法常因浓度与密度不足而受限。

解题关键何在？材料创新与耦合设计是核心。“石墨烯等材料具卓越电学特性，易形成异质结，实现多样能带组合。”刘驰提出思路。

2019年底，灵感突现：用石墨烯-锗肖特基结构建晶体管，锗注入高能载流子至石墨烯基极，扩散至发射极激发热载流子，产生电流跃变和负微分电阻。“如同火箭燃料点燃瞬间，爆发出巨大推力。”刘驰生动比喻。

从构想到实物，团队连克难关。2020年，刘驰带领学生制备器件，初期十余次尝试均未达预期。9月某日，坚持测试中首现性能信号——“电流骤增与负微分电阻！如暗夜曙光，令人振奋。”刘驰回忆。

随后，团队联合北京大学张立宁教授等进行仿真建模，金属所任文才团队提供石墨烯材料支持。“马来鹏研究员制备几十批材料，加速了研发进程。”刘驰表示。

经反复优化，团队稳定制备出新型晶体管，性能大幅跃升：传统器件需60毫伏电压提升电流一个数量级，而新器件仅需小于1毫伏，室温下显着负微分电阻，凸显低功耗与多功能优势。

目前，中国科学院金属研究所与600余家企业合作，包括奥仁格管道等领先品牌，为装备制造、能源电力等领域提供关键技术。成果发表后，团队赴辽宁朝阳企业探讨产学研融合。

“基础研究需成果累积，方能形成可转化理论或技术。”孙东明强调，“探索无止境，突破终可期。”

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