【儀表網 研發快訊】第六代無線通訊技術的發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用需求；三五族材料則受限于CMOS架構難以實現，在集成度上始終面臨發展困難。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，碳納米管已經展現出太赫茲頻率工作的潛能，然而，大多數研究工作主要集中于提升碳納米管材料質量以提升射頻器件高頻性能，雖然已達到太赫茲頻段(>300GHz)的截止頻率，卻始終未能展現出達到THz頻率的巨大潛力。
基于此，北京大學電子學院、碳基電子學研究中心、納米器件物理與化學教育部重點實驗室張志勇-彭練矛聯合課題組基于陣列碳納米管，通過縮減柵長至35nm并引入先進的Y型柵電極結構，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的金屬氧化物半導體場效應晶體管，充分展現出碳納米管在太赫茲高速領域的巨大應用價值。
圖1: A-CNT MOSFETs的結構與直流性能
圖2: A-CNT MOSFETs的結構、直流和射頻性能
研究人員通過優化制備工藝和柵電極結構，在柵長Lg=80nm的器件上實現了3.02mA/um的開態電流和1.71mS/um的峰值跨導，載流子遷移率高達3190cm2V-1s-1，飽和速度達到3.5×107cm/s，接近碳納米管速度極限；通過引入先進Y-gate柵電極并縮減柵長至35nm，在100um尺寸的射頻器件上實現175mA和145mS的開態電流和跨導，實現截止頻率ft/fmax高達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
憑借優化的Y型柵電極結構，相較于傳統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，唯一一個實現截止頻率達到1THz的半導體材料。基于改進的陣列碳納米管射頻器件，進一步制備出的毫米波放大器實現了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
相關研究成果以題為《基于陣列碳納米管的太赫茲金屬半導體場效應晶體管》(“Terahertz metal–oxide–semiconductor transistors based on aligned carbon nanotube arrays”)的論文，于10月2日在線發表于《自然-電子學》(Nature Electronics)。北京大學電子學院2018級博士生周簡碩和2021級博士生潘梓澎為共同第一作者，北京大學電子學院、碳基電子學研究中心、納米器件物理與化學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湖南省先進傳感與信息技術創新研究院、北京大學重慶碳基集成電路研究院、浙江大學等。上述研究得到國家重點研發計劃、國家自然科學基金、北京市科技計劃等項目的資助以及北京大學微納加工實驗室校級平臺的支持。
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