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未來第六代通信技術要求射頻器件和電路的吞吐量、傳輸速度和集成度具有全方位、大幅度的提升，實現射頻/數字單片混合集成芯片是最有吸引力的解決方案。特別是在90 GHz以上工作頻段，硅基CMOS晶體管噪聲太大，無法滿足射頻電路需要，化合物半導體器件技術無法滿足大規模數字集成電路的需求，因此需要新的原理、新的材料、新的器件結構架構來推動通信技術的進一步發展。
半導體碳納米管具有超高載流子遷移率和飽和速度、優異的本征線性度等電學特征，并且本征尺寸小、化學穩定性高、導熱性好、機械強度高，在數字集成電路和射頻電路領域都具有巨大潛力，具備構建射頻/數字電路SOC系統集成平臺的優勢，有望為未來6G通信技術提供理想的核心芯片技術。
北京大學電子系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教授-彭練矛教授聯合課題組通過改進提純和雙液相自組裝沉積方法，制備了適合射頻應用的半導體陣列碳納米管材料，并在此基礎上首次實現了有望在太赫茲頻段工作的射頻晶體管和高性能放大器，充分展現了碳管在射頻電子學上的優勢和潛力。聯合課題組針對射頻的大規模應用優化了材料制備，采用烷基鏈較少的PCO-Bpy分子經兩次分散提純和雙液相自組裝沉積工藝，在4英寸晶圓上實現了高半導體型純度（>99.99%）、高取向和高密度（100~120根/微米）的碳管陣列的制備，載流子遷移率最高達1580 cm2 V-1 s-1(見圖一）。課題組在全絕緣的石英襯底上制備了陣列碳納米管射頻晶體管，其中50 nm柵長器件的實測截止頻率（fT，EXT）和功率增益截止頻率（fMAX，EXT）分別達到了186 GHz和158 GHz，是所有基于納米材料晶體管的最高值（見圖二）。高阻硅襯底的晶體管展示出最高達1.9 mA/µm的開態電流和1.4 mS/µm的跨導（Vds=-0.9V時，見圖三），50 nm柵長射頻晶體管的本征截止頻率（fT，INT）和功率增益截止頻率（fMAX，INT）分別為540 GHz和306 GHz，這表明碳基射頻器件首次進入到了太赫茲頻段（見圖四）。課題組進一步探索了碳基射頻晶體管在射頻放大器中的應用潛力，通過采用多指柵結構提升碳基晶體管的負載驅動能力，實現了碳基放大器在功率增益和線性度上的提升，首次在18 GHz（K波段）實現了高達23.2 dB的增益，線性度測試中實現了> 9 dBm的1 dB壓縮點輸，出功率和OIP3=31.2 dBm的三階交調特性，對應的OIP3/Pdc為19.7 dB@18 GHz（見圖五），各項關鍵指標均遠高于之前美國南加州大學報道的最好碳基放大器。
圖1 陣列碳管與制備和表征
圖2 石英襯底上的陣列碳管射頻晶體管
圖3 高阻硅襯底上陣列碳管晶體管直流特性
圖4 高阻硅襯底上陣列碳管晶體管的射頻性能表征
圖5 碳納米管射頻放大器的功率增益和線性度表征
該工作首次將碳納米管射頻器件的工作帶寬提升至了太赫茲領域，真正展示了碳納米管器件的高速和高帶寬優勢。2021年6月21日，相關研究成果以“基于陣列碳納米管的射頻晶體管器件”（Radiofrequency transistors based on aligned carbon nanotube arrays）為題，在線發表于《自然·電子學》（Nature Electronics），并被選為封面文章（見圖六）；北京大學前沿交叉學科研究院2016級博士生石惠文，電子學系副研究員丁力、仲東來博士和工程師韓杰為并列第一作者，北京大學電子系碳基電子學研究中心、納光電前沿科學中心張志勇教授和彭練矛院士為共同通訊作者。
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圖6 期刊封面
上述研究得到國家重點研發計劃“納米科技”重點專項、北京市科技計劃等資助。
轉自北京大學網站
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