我国科研人员研制新型高频晶体管刷新全球纪录

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问AI · 新型晶体管如何突破太赫兹频段瓶颈？


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        据中国科学院金属研究所8日消息，金属所等联合团队发明高频硅-石墨烯-锗势垒晶体管。
& a  L5 @+ A: p0 J- u! {% i* y4 }        据介绍，随着5G的规模化部署与6G技术的前瞻性探索，物联网（IoT）、超高速传感及智能通信系统对晶体管的运行速度提出了前所未有的要求，即其截止频率需突破1太赫兹（THz）的关键门槛。然而，传统高频晶体管，如高电子迁移率晶体管（HEMT）和异质结双极型晶体管（HBT），其性能受限于载流子在沟道或体材料基区中的渡越时间，难以满足太赫兹频段的应用需求。
        近年来，垂直二维基区晶体管采用石墨烯等二维材料作为基区，凭借原子级厚度大幅缩短载流子的垂直渡越时间，在构筑太赫兹晶体管方面展现出巨大潜力。然而，该类器件普遍存在的量子隧穿势垒与界面缺陷问题，会导致严重的载流子散射，从而限制其电流增益与高频性能。因此，如何通过新型调控机制克服界面瓶颈，实现高增益并提升截止频率，已成为发展垂直二维基区晶体管的核心科学挑战。
7 P0 r1 s# E+ d; s6 G        针对这一难题，中国科学院金属研究所联合多家研究单位，提出了一种创新性的高频器件架构——硅-石墨烯-锗势垒晶体管（Si-Graphene-Ge Barristor）。相关研究成果以 “A high-frequency silicon-graphene-germanium barristor” （一种高频硅-石墨烯-锗势垒晶体管）为题，于近日发表于《自然·通讯》（Nature Communications）,标志着高频垂直二维基区晶体管研究取得重大突破。
        这是国际上首款成功实现射频测试功能的势垒晶体管。研究团队首先在锗衬底上通过化学气相沉积外延生长了晶圆级单晶单层石墨烯，随后将单晶硅膜精确堆叠于石墨烯之上，构筑了高质量的硅-石墨烯-锗垂直异质结构（如图1所示）。

       

9 ~4 b/ ~! g$ A) d1 k8 n        图1. 高频硅-石墨烯-锗晶体管器件结构。a. 外延石墨烯晶圆；b. 器件截面示意图；c. 器件结构展开图；d. 扫描电子显微镜图像；e. 器件阵列光学图像。
        该结构利用石墨烯与硅、锗界面处形成的不对称肖特基势垒，并结合石墨烯的量子电容效应进行功函数调控，使得锗端电流的变化幅度远大于硅端，从而产生了高达1.8 ✖ 107的共射极电流增益，是目前已报道晶体管中的最高记录（如图2所示）。
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; V9 Q  K2 E6 m1 \2 M5 e        图2. 势垒晶体管机制和直流特性。a. 不对称肖特基势垒能带图；b. 器件输入特性；c. 器件转移特性；d. 电流增益随栅压的变化；e. 器件增益统计分析；f. 与其他材料体系晶体管的增益对标。
& y. X+ M7 i! d3 ]! ?; l        在高频性能方面，该晶体管实现了132 GHz的本征截止频率（fT），超越了此前所有垂直二维基区晶体管的最高纪录（如图3所示）。

       

0 I5 m) n# N* w        图3. 势垒晶体管射频特性。a. 不同偏压下增益H21频率特性；b. 电流增益截止频率与偏压关系；c. 截止频率的温度依赖性；d. 不同锗掺杂浓度下截止频率分布；e. 不同器件面积的截止频率统计；f. 与其他垂直二维基区晶体管的射频性能对标。
: H# I# F5 t# [- ]        进一步的器件建模与仿真分析表明，通过优化材料掺杂浓度、降低接触电阻及缩减寄生效应，该器件的理论工作频率有望突破1 THz，进入太赫兹应用频段（如图4所示）。
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        图4. 硅-石墨烯-锗势垒晶体管的紧凑物理模型。a. 电容模型和能带示意图；b. 截止频率随偏压的变化；c. 截止频率随掺杂浓度的变化；d. 截止频率随肖特基势垒高度的变化。
        该研究不仅为势垒晶体管在射频与太赫兹通信领域的应用奠定了坚实基础，也为未来物联网与6G传感系统的超高速信号处理提供了全新的技术路径。
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