近期主持的科研项目
(1) 国家自然科学基金委员会，原创探索计划项目，62450124，热发射极晶体管研究，2025-01-01至2025-12-31，100万元，在研，主持。
(2) 中组部，国家人才计划青年拔尖人才项目，2024-10-10至2027-10-10，130万元，在研，主持。
(3) 辽宁省科学技术厅，辽宁省优秀青年基金计划项目，2023JH3/10200003，基于材料外延技术的混合维度肖特基结型高速晶体管研究，2023-08-01至2025-07-31，50万元，在研，主持。
(4) 国家自然科学基金委员会，面上项目，62074150，基于石墨烯-IV族半导体肖特基结的实空间转移晶体管研究， 2021-01-01 至 2024-12-31，61万元，在研，主持。
(5) 国家部委，新型器件研究，2020-08 至 2023-08，180万元，结题，主持。
重要科研成果
集成电路是现代信息技术的基石，而晶体管是集成电路的基本单元，目前主要包括高性能数字晶体管以及射频和光电晶体管等多功能晶体管。随着晶体管尺寸不断缩小，其进一步发展面临着众多挑战，寻找具有新工作原理的晶体管已经成为制备高性能集成电路的关键。与依赖稳态载流子传输的一般晶体管不同，热载流子晶体管通过将载流子调制到高能态以提升器件的速度和功能，有望突破晶体管在速度和功耗等方面所面临的限制。然而，以往的热载流子晶体管主要采用隧穿注入和加速等方法生成热载流子，此过程受到界面势垒的影响，生成的热载流子电流密度不足，未能展示出热载流子晶体管的真正性能。
石墨烯等低维材料具有原子级厚度、优异的电学和光电性能，且无表面悬挂键，易与不同材料形成异质结从而产生丰富的能带组合。基于此，刘驰提出基于低维材料、通过可控调制热载流子以提高电流密度的研究思路，实现了新型热载流子生成机制和热载流子晶体管（图1）：1）采用半导体薄膜-石墨烯肖特基结增强热载流子电流，硅-石墨烯-锗晶体管使器件延迟时间缩短至已报道的石墨烯基区晶体管的千分之一以下，为研制太赫兹晶体管提供了一种科学备选方案（Nature Commun. 2019）；2）采用双结间的正向反馈机制进一步增强热载流子电流，双异质结晶体管实现了二维材料光电探测器中最高的探测度，为制备高性能光电探测器提供了新思路（Nature Commun. 2021）；3）采用双结间的受激发射机制实现更剧烈的热载流子电流变化，热发射极晶体管实现了室温下小于1 mV/dec的亚阈值摆幅（已报道的最小值）和超过100的峰谷电流比（石墨烯器件中的最大值），为实现低功耗器件和高性能负微分电阻器件提供了新方法（Nature 2024）。这三种热载流子调制方法依次增强，显著提升了热载流子电流，获得了一系列高性能热载流子晶体管，为后摩尔时代构筑高性能和多功能电子器件提供了创新性研究思路。
基于上述研究成果，刘驰主持了国家自然科学基金、中组部和国家部委等项目10余项，以第一或通讯作者在Nature等权威期刊和国际会议发表论文30余篇，在国内外会议做受邀报告20余次，申请发明专利10余项，入选国家人才计划青年拔尖人才、辽宁省优秀青年基金计划、沈阳市杰出人才、中国科学院首批特聘研究岗位、中国科学院金属所优秀青年学者奖等人才计划和学术奖励。阐述如下：
图1. 刘驰近五年以第一或通讯作者取得的代表性成果。
代表成果1. 基于肖特基结发射的硅-石墨烯-锗晶体管
图2. 硅-石墨烯-锗晶体管（Nature Commun. 2019）
以往的热载流子往往以隧穿注入的方式产生，隧穿势垒严重限制了热载流子电流，为此，我们使用单晶硅薄膜转移工艺，构筑了垂直结构硅-石墨烯-锗晶体管（图2）。它使用硅薄膜-石墨烯肖特基结发射热载流子，并通过电压控制石墨烯-锗肖特基结势垒，调制收集的热载流子且得到接近100%的收集效率，显著增强了热载流子电流，同时利用石墨烯的原子级厚度缩短了载流子的渡越时间，实现了面向高速应用的晶体管原型器件。与隧穿发射结相比，肖特基发射结的热载流子电流提升了近百倍，且具有更小的结电容，使得晶体管共基极电流增益截止频率提升了一千倍，在理想界面等条件下，有望实现工作在THz频段的超高速晶体管（Nature Commun. 2019）。我们进一步使用晶圆级石墨烯衬底构筑了射频结构晶体管，得益于界面电学性能的改善，器件增益提高至30倍以上，并初步获得了GHz级别的晶体管截止频率，开拓了具有肖特基发射结的石墨烯基区晶体管在高频领域的应用研究（Small 2022,JMST 2022, Mater. Today 2023）。
代表工作2. 基于正向反馈发射的双异质结晶体管
图3. 双异质结晶体管（Nature Commun. 2021）
为进一步增强热载流子的生成，我们采用了耦合的两个半导体异质结构筑了双异质结晶体管（图3），在吸收光子后，其源端能带升高而发射热载流子，漏端结在收集到这些载流子后将降低分压，从而使得偏置电压进一步分配给源端，抬升源端能带，产生了正反馈，显著增强了热载流子光电流，实现了超灵敏光电探测。其光电流相较于传统的肖特基结提升了三个数量级；同时因为不使用陷阱，可以兼顾探测度与响应速度，获得了二维材料光电探测中最高的探测度（9.8×1016 Jones）和超快光电响应速度（约100 µs），为发展超灵敏、高速光电探测器提供了新型解决方案（Nature Commun. 2021）。我们进一步采用了可旋涂的二维材料溶液，开发了集成工艺，制备了4英寸、具有微米精度图案化的二维材料薄膜，并构筑了具有1024像素的探测器阵列，为制备高集成度器件阵列提供了新方法（Natl. Sci. Rev. 2022，Adv. Mater. 2022）。
代表成果3. 基于受激发射的热发射极晶体管
图4. 热发射极晶体管（Nature 2024）
为进一步获得更剧烈的热载流子生成，我们采用两个耦合的石墨烯/锗肖特基结构筑了热发射极晶体管（图4），器件工作时电场首先加热石墨烯发射极中的载流子，随后高能载流子由石墨烯基极注入并扩散到发射极进而产生激发作用，显著增强了热载流子电流，形成了突增的电流变化，获得了突破玻尔兹曼极限的亚阈值摆幅和负微分电阻。该晶体管获得了低于1 mV/dec的超低亚阈值摆幅，是已报道器件中的最小值，而由热载流子形成的开态电流为已报道的最大值，实现了一种新型低功耗器件；同时，该晶体管在室温下表现出峰谷电流比超过100的负微分电阻效应，是石墨烯器件中的最大值，也大于以往的硅/锗基实空间转移晶体管，实现了一种新型负微分电阻器件。利用上述优异性能，我们进一步使用并联器件构筑电路，实现了多值反相器和逻辑态可编程电路元件，为发展多值计算等新型计算系统提供了新方法（Nature 2024，IEEE EDL 2017，IEEE EDL 2016）。
综上所述，刘驰聚焦于低维热载流子晶体管研究，针对传统热载流子生成机制对器件性能的限制，利用二维和体材料丰富的能带组合实现一系列新型热载流子生成机制，研制出硅-石墨烯-锗晶体管、双异质结晶体管和热发射极晶体管等新型热载流子晶体管，为后摩尔时代构筑高速度、低功耗和多功能晶体管提供了创新性研究思路。
