近日，山东大学信息科学与工程学院李元副教授指导的微纳光电子科学与技术实验班2018级本科生刘坤一、2017级本科生鲁飞和2020级本科生李鑫鸣在低功耗晶体管设计方面的最新研究成果分别在applied physics letters和acs applied nano materials发表。
随着晶体管特征尺寸的微缩和集成度的提高，芯片功耗急剧提升，设计和实现低功耗晶体管已成为后摩尔时代面临的一项重要挑战。由于亚阈值摆幅（subthreshold swing，简称ss）是影响晶体管静态功耗的一个关键参数，因此减小ss特别是突破室温下60 mv/dec的玻尔兹曼限制是实现低功耗晶体管的一个有效途径。最近几年，人们发现具有特殊电子态密度的电极材料可以抑制玻尔兹曼热尾进行“冷”载流子注入，实现室温ss < 60 mv/dec的陡幅低功耗“冷源晶体管”。然而，目前绝大部分冷源晶体管的ss参数并不稳定，受工作电压的影响严重，这对用于工作电压易损耗的可穿戴和移动电子设备非常不利。针对这一问题，微纳班刘坤一和鲁飞在李元副教授指导下提出了一种实现ss不随工作电压改变的冷源晶体管器件模型。该模型不同于前人只关注源极材料的做法，而是通过发现漏极材料电子态密度对器件ss参数的工作电压依赖关系具有重要影响，提出了利用漏极态密度工程实现具有稳定ss参数的陡幅冷源晶体管设计策略。该成果以“bias-independent subthreshold swing in ballistic cold-source field-effect transistors by drain density-of-states engineering”为题，2024年1月30日在线发表于应用物理领域国际顶级期刊applied physics letters（）。刘坤一和鲁飞分别为论文第一和第二作者，李元副教授为论文通讯作者，山东大学信息科学与工程学院为论文唯一完成单位。
隧穿场效应晶体管（tunnel field-effect transistor，简称tfet）是另一类非常重要的陡幅低功耗晶体管，利用栅压控制的能带间量子隧道效应实现室温ss < 60 mv/dec。然而，目前所有的陡幅tfet均基于无机半导体材料实现，基于有机半导体材料的有机tfet器件无论实验还是理论均未见报道。这主要是因为，传统有机半导体材料由有机聚合物或小分子通过弱范德瓦尔斯力结合在一起，通常具有非晶形貌、大量缺陷和无法大幅提升的较小载流子迁移率，很难实现能带间量子隧穿的精准调控。鉴于此，微纳班李鑫鸣在李元副教授的指导下提出了一种利用新型二维有机半导体材料实现陡幅有机tfet的设计方案。该方案基于新兴的二维共价有机框架（covalent-organic framework，简称cof）材料，通过第一性原理和原子级器件仿真工具设计出了可实现室温ss < 60 mv/dec和高开态电流的纳米尺度有机tfet器件。与传统有机半导体材料不同，二维cof有机半导体材料通过强共价键将有机基团连接在一起形成有序的二维周期性晶体结构，可以大大提高载流子迁移率的理论上限，在低功耗和高性能有机电子器件方面具有极大的应用潜力。值得注意的是，这是目前国际上首次提出的基于新型有机半导体材料的陡幅tfet设计方案，对有机tfet的后续实验研究具有十分积极的指导意义。该成果以“toward nanoscale organic tunnel field-effect transistors with small subthreshold swing and high on-state current: a computational design based on two-dimensional covalent-organic frameworks”为题，2024年1月4日在线发表于材料领域国际一流期刊acs applied nano materials（）。李鑫鸣为论文第一作者，李元副教授为论文通讯作者，山东大学信息科学与工程学院为论文唯一完成单位。
微纳光电子科学与技术实验班是山东大学信息科学与工程学院新工科特色专业实验班之一，致力于培养微电子与光电子集成电路和集成系统设计专门人才，高度注重学生基础学科交叉融合与创新能力的培养。近年来，李元副教授积极投身于信息学院新工科实验班科研创新人才培养工作，将科研创新与教学创新有效融合，指导实验班学生在微纳电子材料和器件研究方面取得了一系列创新性成果，累计6项研究成果已在国际高水平期刊和会议发表（）。以上研究成果获得了国家自然科学基金面上项目的资助。
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