【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】第六代無線通訊技術(shù)的發(fā)展對射頻器件提出了更高頻率、更高帶寬和更低延遲的要求，傳統(tǒng)硅基晶體管在尺寸縮減過程中，高頻性能逐漸飽和，難以滿足太赫茲頻率的應(yīng)用需求；三五族材料則受限于CMOS架構(gòu)難以實現(xiàn)，在集成度上始終面臨發(fā)展困難。而作為后摩爾時代重要材料之一的碳納米管，憑借其高遷移率、高飽和速率以及低寄生的特性，碳納米管已經(jīng)展現(xiàn)出太赫茲頻率工作的潛能，然而，大多數(shù)研究工作主要集中于提升碳納米管材料質(zhì)量以提升射頻器件高頻性能，雖然已達(dá)到太赫茲頻段(>300GHz)的截止頻率，卻始終未能展現(xiàn)出達(dá)到THz頻率的巨大潛力。
 

　　基于此，北京大學(xué)電子學(xué)院、碳基電子學(xué)研究中心、納米器件物理與化學(xué)教育部重點實驗室張志勇-彭練矛聯(lián)合課題組基于陣列碳納米管，通過縮減柵長至35nm并引入先進(jìn)的Y型柵電極結(jié)構(gòu)，降低柵電阻的同時保持低的寄生電容特性，成功制備出首個截止頻率fmax超過1THz的金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管，充分展現(xiàn)出碳納米管在太赫茲高速領(lǐng)域的巨大應(yīng)用價值。
 

圖1: A-CNT MOSFETs的結(jié)構(gòu)與直流性能
 

圖2: A-CNT MOSFETs的結(jié)構(gòu)、直流和射頻性能
 

　　研究人員通過優(yōu)化制備工藝和柵電極結(jié)構(gòu)，在柵長Lg=80nm的器件上實現(xiàn)了3.02mA/um的開態(tài)電流和1.71mS/um的峰值跨導(dǎo)，載流子遷移率高達(dá)3190cm2V-1s-1，飽和速度達(dá)到3.5×107cm/s，接近碳納米管速度極限；通過引入先進(jìn)Y-gate柵電極并縮減柵長至35nm，在100um尺寸的射頻器件上實現(xiàn)175mA和145mS的開態(tài)電流和跨導(dǎo)，實現(xiàn)截止頻率ft/fmax高達(dá)551GHz/1024GHz，成功驗證了碳納米管的THz工作潛力。
 

圖3：本研究A-CNT MOSFET與其他材料射頻性能對比
 

圖4：A-CNT MOSFET中Y型柵電極特性分析
 

　　憑借優(yōu)化的Y型柵電極結(jié)構(gòu)，相較于傳統(tǒng)T型柵電極，具有更大截面積(更低柵電阻)和更低寄生電容的優(yōu)異特性，因此在尺寸縮減過程中，具有超過其他所有材料的高頻性能，同時也是除三五族材料(InP/InGaAs)外，唯一一個實現(xiàn)截止頻率達(dá)到1THz的半導(dǎo)體材料?；诟倪M(jìn)的陣列碳納米管射頻器件，進(jìn)一步制備出的毫米波放大器實現(xiàn)了30GHz下21.4dB的增益，具有與GaN、GaAs等材料商用器件相媲美的放大性能。
 

圖5：基于A-CNT MOSFET的放大器性能展示
 

　　相關(guān)研究成果以題為《基于陣列碳納米管的太赫茲金屬半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管》(“Terahertz metal–oxide–semiconductor transistors based on aligned carbon nanotube arrays”)的論文，于10月2日在線發(fā)表于《自然-電子學(xué)》(Nature Electronics)。北京大學(xué)電子學(xué)院2018級博士生周簡碩和2021級博士生潘梓澎為共同第一作者，北京大學(xué)電子學(xué)院、碳基電子學(xué)研究中心、納米器件物理與化學(xué)教育部重點實驗室彭練矛教授、張志勇教授和丁力研究員為共同通訊作者，合作單位還包括湘潭大學(xué)湖南省先進(jìn)傳感與信息技術(shù)創(chuàng)新研究院、北京大學(xué)重慶碳基集成電路研究院、浙江大學(xué)等。上述研究得到國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、北京市科技計劃等項目的資助以及北京大學(xué)微納加工實驗室校級平臺的支持。