中国科学院半导体研究所

基于阵列碳纳米管的射频晶体管

2021-07-12

通信技术的发展极大推动了业内对更高工作频率和更宽带宽器件的需求。近年来，5G和6G通信技术的发展需要将器件的工作频率提升到90 GHz以上的频段；另外，半导体行业的发展也亟需高工作频率和高集成度的芯片。当前最常用的两类射频器件是硅基CMOS技术（互补金属氧化物半导体）和III-V族化合物半导体技术（主要是GaAs，InP等）。硅基CMOS技术能够以低成本实现高集成度，但在20 GHz以上的频率，它们的线性度和噪声性能较差。基于III-V族化合物的器件可用于构建工作频率超过20 GHz的系统，但不能直接与同一芯片上的数字系统集成。理想的通用半导体射频芯片应当兼具高工作频率和高集成度，既可用于设计射频/模拟电路，实现通信和雷达应用，又可用于数字集成电路，实现信息处理目的。因此，需要新的原理、新的材料、新的器件结构架构来推动通信技术的进一步发展。

半导体碳纳米管具有超高载流子迁移率和饱和速度、优异的本征线性度等电学特征，并且本征尺寸小、化学稳定性高、导热性好、机械强度高，在数字集成电路和射频电路领域都具有巨大潜力，具备构建射频/数字电路SOC系统集成平台的优势，有望为未来6G通信技术提供理想的核心芯片技术。

北京大学电子系碳基电子学研究中心、纳米器件物理与化学教育部重点实验室丁力副研究员-张志勇教授-彭练矛教授联合课题组通过改进提纯和双液相自组装沉积方法，制备了适合射频应用的半导体阵列碳纳米管材料，并在此基础上首次实现了有望在太赫兹频段工作的射频晶体管和高性能放大器，充分展现了碳管在射频电子学上的优势和潜力。联合课题组针对射频的大规模应用优化了材料制备，采用烷基链较少的PCO-Bpy分子经两次分散提纯和双液相自组装沉积工艺，在4英寸晶圆上实现了高半导体型纯度（>99.99%）、高取向和高密度（100~120根/微米）的碳管阵列的制备，载流子迁移率最高达1580 cm2 V-1 s-1(见图1）。课题组在全绝缘的石英衬底上制备了阵列碳纳米管射频晶体管，其中50 nm栅长器件的实测截止频率（fT,EXT）和功率增益截止频率（fMAX,EXT）分别达到了186 GHz和158 GHz，是所有基于纳米材料晶体管的最高值（见图2）。高阻硅衬底的晶体管展示出最高达1.9 mA/μm的开态电流和1.4 mS/μm的跨导（Vds=-0.9V时，见图3），50 nm栅长射频晶体管的本征截止频率（fT,INT）和功率增益截止频率（fMAX,INT）分别为540 GHz和306 GHz，这表明碳基射频器件首次进入到了太赫兹频段（见图4）。课题组进一步探索了碳基射频晶体管在射频放大器中的应用潜力，通过采用多指栅结构提升碳基晶体管的负载驱动能力，实现了碳基放大器在功率增益和线性度上的提升，首次在18 GHz（K波段）实现了高达23.2 dB的增益，线性度测试中实现了> 9 dBm的1 dB压缩点输出功率和OIP3=31.2 dBm的三阶交调特性，对应的OIP3/Pdc为19.7 dB@18 GHz（见图5），各项关键指标均远高于之前美国南加州大学报道的最好碳基放大器。

该工作首次将碳纳米管射频器件的工作带宽提升到太赫兹领域，真正展示了碳纳米管器件的高速和高带宽优势。2021年6月21日，相关研究成果以“基于阵列碳纳米管的射频晶体管”（Radiofrequency transistors based on aligned carbon nanotube arrays）为题，在线发表于《自然·电子学》（Nature Electronics），并被主编选为封面文章（见图6）。研究得到国家重点研发计划“纳米科技”重点专项和北京市科技计划等资助。