石墨烯“打底” 我科學(xué)家制備出高速晶體管

近日，中國(guó)科學(xué)院金屬研究所沈陽(yáng)材料科學(xué)國(guó)家研究中心先進(jìn)炭材料研究部科研人員首次制備出以肖特基結(jié)作為發(fā)射結(jié)的垂直結(jié)構(gòu)晶體管“硅—石墨烯—鍺晶體管”，成功將石墨烯基區(qū)晶體管的延遲時(shí)間縮短了1000倍以上，并將其截止頻率由兆赫茲（MHz）提升至吉赫茲（GHz）領(lǐng)域，未來(lái)將有望在太赫茲（THz）領(lǐng)域的高速器件中應(yīng)用。該研究成果近日在《自然·通訊》上在線發(fā)表。



　　1947年，第一個(gè)雙極結(jié)型晶體管（BJT）誕生于貝爾實(shí)驗(yàn)室，引領(lǐng)了人類社會(huì)進(jìn)入信息技術(shù)的新時(shí)代。過(guò)去的幾十年里，提高BJT的工作頻率一直是人們不懈的追求，異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管（HBT）和熱電子晶體管（HET）等高速器件相繼被研究報(bào)道。然而，當(dāng)需要進(jìn)一步提高頻率時(shí)，這些器件便遭遇到瓶頸：HBT的截止頻率最終被基區(qū)渡越時(shí)間所限制，而HET則受限于無(wú)孔、低阻的超薄金屬基區(qū)的制備難題。



　　近年來(lái)，石墨烯作為性能優(yōu)異的二維材料備受關(guān)注，人們提出將石墨烯作為基區(qū)材料制備晶體管，其原子級(jí)厚度將消除基區(qū)渡越時(shí)間的限制，同時(shí)其超高的載流子遷移率也有助于實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的低阻基區(qū)。



　　“目前已報(bào)道的石墨烯基區(qū)晶體管普遍采用隧穿發(fā)射結(jié)，然而隧穿發(fā)射結(jié)的勢(shì)壘高度嚴(yán)重限制了該晶體管作為高速電子器件的發(fā)展前景。”該研究團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人表示。他們通過(guò)半導(dǎo)體薄膜和石墨烯轉(zhuǎn)移工藝，首次制備出以肖特基結(jié)作為發(fā)射結(jié)的垂直結(jié)構(gòu)的硅—石墨烯—鍺晶體管。



　　該研究人員表示，與已報(bào)道的隧穿發(fā)射結(jié)相比，硅—石墨烯肖特基結(jié)表現(xiàn)出目前最大的開(kāi)態(tài)電流和最小的發(fā)射結(jié)電容，從而得到最短的發(fā)射結(jié)充電時(shí)間，使器件總延遲時(shí)間縮短了1000倍以上，器件的截止頻率由約1.0MHz提升至1.2GHz。



　　據(jù)悉，我國(guó)科研人員同時(shí)對(duì)器件的各種物理現(xiàn)象進(jìn)行了分析，并基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)建模發(fā)現(xiàn)了該器件具有工作于太赫茲領(lǐng)域的潛力，這將極大提升石墨烯基區(qū)晶體管的性能，為未來(lái)最終實(shí)現(xiàn)超高速晶體管奠定了基礎(chǔ)。

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