中國研制出垂直結(jié)構(gòu)“硅-石墨烯-鍺晶體管”，超高速晶體管再獲突破

11月10日，記者今天從中國科學(xué)院金屬研究所獲悉，該所沈陽材料科學(xué)國家研究中心先進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)晶體管的延遲時間縮短了1000倍以上，并將其截止頻率由兆赫茲提升至吉赫茲領(lǐng)域。相關(guān)成果已于近日在線發(fā)表于國際學(xué)術(shù)期刊《自然•通訊》。

據(jù)該成果論文的通訊作者、中科院金屬所研究員孫東明介紹，這一研究工作提升了石墨烯基區(qū)晶體管的性能，未來將有望在太赫茲領(lǐng)域的高速器件中應(yīng)用，為最終實現(xiàn)超高速晶體管奠定了基礎(chǔ)。

1947年，第一個雙極結(jié)型晶體管誕生于美國貝爾實驗室，引領(lǐng)人類社會進入信息技術(shù)的新篇章。在過去的幾十年里，提高雙極結(jié)型晶體管的工作頻率，成為科學(xué)界的不懈追求，異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管和熱電子晶體管等高速器件相繼被研究報道。然而，當需要進一步提高頻率時，這些器件遭遇了瓶頸。異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管的截止頻率，最終被基區(qū)渡越時間所限制，而熱電子晶體管的發(fā)展，則受限于無孔、低阻的超薄金屬基區(qū)的制備難題。

石墨烯，這個性能優(yōu)異的二維材料，近年來倍受關(guān)注?？茖W(xué)界提出將石墨烯作為基區(qū)材料制備晶體管，其原子級厚度將消除基區(qū)渡越時間的限制，同時其超高的載流子遷移率也有助于實現(xiàn)高質(zhì)量的低阻基區(qū)。

“目前已報道的石墨烯基區(qū)晶體管，普遍采用隧穿發(fā)射結(jié)，然而隧穿發(fā)射結(jié)的勢壘高度，嚴重限制了該晶體管作為高速電子器件的發(fā)展前景。”此次成果論文的第一作者、中科院金屬所副研究員劉馳表示，科研人員提出了半導(dǎo)體薄膜和石墨烯轉(zhuǎn)移工藝，首次制備出如今這一成果。

據(jù)劉馳介紹，與已報道的隧穿發(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)充電時間，使器件總延遲時間縮短了1000倍以上，可將器件的截止頻率由約1.0兆赫茲提升至1.2吉赫茲。劉馳說，通過基于實驗數(shù)據(jù)的建模，科研人員進一步發(fā)現(xiàn)，該器件具備工作于太赫茲領(lǐng)域的潛力，而這對于未來的晶體管研制具有十分重要的意義。