基于范德华异质结的垂直隧穿场效应晶体管
2020年2月3日，《自然•电子》（Nature Electronics）在线刊发了华中科技大学强磁场中心微纳器件研究课题组关于垂直隧穿晶体管的研究成果。论文题目为：“基于范德华异质结的垂直隧穿场效应晶体管”（A transverse tunnelling field-effect transistor made from a van der Waals heterostructure）。华中科技大学国家脉冲强磁场科学中心及光学与电子信息学院为论文第一单位，课题组负责人吴燕庆教授为论文通讯作者，强磁场16级博士生熊雄和13级博士黄明强为共同第一作者，其余作者包括课题组成员胡奔、李学飞副研究员、李思超、田猛串、李调阳、宋健以及北京大学刘飞研究员。
自从L. Esaki于1958年发现第一个隧道二极管以来，半导体器件中的量子隧穿技术受到了广泛的研究，这是由于其在逻辑，存储和射频等领域具有巨大潜力。然而使用传统半导体制备隧穿二极管对加工过程有极为严苛的要求。此外，这些器件中的隧穿电流输运方向总是和器件的总输出电流输运方向相同，并且隧穿电流直接贡献于总电流，这极大地限制了传统隧穿器件的输出电流水平。因此探究新材料下构建的高性能隧穿器件具有重大意义。
图1 （a）器件结构示意图；（b）器件最高表现可调的NDR；（c）器件在不同温度下表现的电流陡峭开关；（d）器件体因子仅为玻尔兹曼极限的1/10。
在这项工作中提出了一种由二维黑磷/氧化铝/黑磷结构制成的高效隧穿器件。二维范德华异质结可组成丰富的能带组合类型，避免了传统隧穿二极管中的加工难题。通过使用具有双极性的二维窄带隙材料黑磷，提高了隧穿效率和器件的可调性。与传统的隧穿二极管不同，这个结构中的隧穿载流子相对于驱动电流是横向输运的，具有改善的输出电流密度的潜力。并且由隧穿载流子引起的静电效应可以显著地通过绝缘层调节沟道载流子密度，从而产生巨大的负微分电阻（NDR）现象。此外，该隧穿晶体管能够在360 K至70 K的温度范围内以仅为玻尔兹曼极限1/10的体因子（栅极电压相对变化与表面电势相对变化的比值）进行电流陡峭开关。
吴燕庆教授课题组致力于研究基于二维材料的后摩尔微纳功能器件与电路微系统的设计与制备，包括逻辑器件、射频器件、神经形态器件、磁传感器以及量子隧穿器件。
以上工作得到了国家自然科学基金委员会及我校等各类项目资助，并得到脉冲强磁场科学中心实验平台的大力支持，以及光电国家实验室微纳加工平台、分析测试中心等单位的技术支持。