基于高纯碳纳米管阵列的射频晶体管

大多数下一代无线通信技术需要能够在 90 GHz 以上的频率下运行的集成射频设备。最广泛用于制造射频器件的两种半导体是硅互补金属氧化物半导体 (CMOS) 场效应晶体管 (FET) 和基于 III-V 族化合物半导体(特别是 GaAs)的晶体管。

然而，这两种半导体 RF 技术都无法同时实现高工作频率并且易于集成到无线通信技术中。开发高速 FET(高达太赫兹频率)的一个有希望的候选者是半导体单壁碳纳米管 (CNT)，因为它们具有良好的电子和物理特性。值得注意的是，用于制造射频模拟和碳纳米管的材料要求数字设备几乎相同。

北京大学的研究人员最近制造了基于对齐的 CNT 阵列的新型射频晶体管。在Nature Electronics上发表的一篇论文中介绍了这些晶体管，它们是使用两种不同的方法创建的，即双色散分选和二元液体界面对齐过程。

“与基于硅和 III-V 族化合物半导体的技术相比，CNT FET 可以为 SoC 应用实现更好的性能，”开展这项研究的研究人员之一彭连茂告诉 TechXplore。“然而，CNT FET 的速度和增益仍然落后于理论预测。”

迄今为止，基于 CNT 的 FET 的速度受到限制且不能令人满意，这主要是由于缺乏具有合适密度、高均匀性、高半导体纯度和高载流子迁移率的排列良好的半导体 CNT 阵列。为了克服这些挑战并开发高性能的 CNT RF 设备，研究人员决定调整 CNT 材料的结构。

为了制造他们的射频晶体管，彭和他的同事主要使用了两种工艺，即电子束光刻 (EBL) 和原子层沉积 (ALD)。然后，他们使用其他纳米制造设备通过所谓的自上而下剥离工艺完成了设备中每个功能层的制备。

“我们通过双分散和二元液体界面限制自组装(BLIS)程序获得了用于射频应用的碳纳米管阵列，并实现了基于碳纳米管阵列的高性能射频器件和放大器的制造，”彭说。“至于我们的主要目标，我们希望在实验条件下探索基于 CNT 阵列的晶体管和放大器的上限频率、功率增益和线性性能潜力的潜力。”

彭和他的同事开发的纳米管阵列的密度约为每微米120个纳米管，载流子迁移率为1,580 cm 2 V -1 s -1，饱和速度高达3.0x10 7 cm s -1。使用这些纳米管阵列，研究人员制造了在毫米波和太赫兹频率下工作时实现高直流性能的 FET。

图片来源：施等人。

“我们希望 CNT 射频器件的速度、放大和线性潜力能够在实验中得到真正的证明，”彭说。

值得注意的是，这组研究人员开发的基于 CNT 的 RF 晶体管属于金属氧化物半导体 (MOS)场效应晶体管(FET)类别。换句话说，支撑其运行的机制类似于启用 MOSFET 运行的机制。

“射频晶体管是一个三端器件，由栅极节点、源极节点和漏极节点组成，”彭说。“栅极节点控制源极和漏极节点之间的导电通道。”

为了能够放大射频信号，研究人员制造的晶体管依赖于 FET 器件的跨导放大。而且，它们的运行速度取决于载体在设备通道中的传输速度。

“我们晶体管的主要优势可以概括为三个要点，”彭说。“首先，我们基于高密度半导体碳纳米管阵列的器件显示出强大的导通驱动能力，导致大跨导和大电流，从而带来强大的射频信号放大能力。其次，我们的碳纳米管阵列表现出高载流子饱和速度和高迁移率，对应于高电流增益截止频率 (fT) 和功率增益截止频率 (fMAX)。”

在初步评估中，彭和他的同事创建的 CNT 阵列被发现具有出色的质量，并表现出很高的固有线性性能。值得注意的是，研究人员是第一个将基于 CNT 的 RF FET 的固有频率性能推入太赫兹范围的人。

“虽然长期以来理论上预测 CNT FET 具有太赫兹潜力，但我们的结果是对此最接近的实验证明，”彭说。“此外，在相似的栅极长度和相同的去嵌入条件下，基于 CNT 阵列的 FET 器件表现出比基于硅的器件更高的截止频率。”

这组研究人员收集的研究结果表明，基于 CNT 的设备的射频速度可以达到理论预测所概述的理想水平。未来，彭和他的同事们希望提高基于碳纳米管的射频晶体管的性能通过进一步优化它们的成分和结构，进一步。

“我们还计划实现在太赫兹范围内运行的实用基于 CNT 的放大器，”彭说。“通过将它们与基于 CNT 的高性能数字 CMOS IC 集成，我们期待将基于 CNT 阵列的高速电子设备应用于以毫米波甚至太赫兹频率运行的 SoC 应用。”

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