石墨烯“打底” 我科學家制備出高速晶體管

科技日報瀋陽10月29日電 （記者郝曉明）記者從中國科學院金屬研究所瀋陽材料科學國家研究中心獲悉，該中心先進炭材料研究部科研人員首次製備出以肖特基結作為發射結的垂直結構晶體管“硅—石墨烯—鍺晶體管”，成功將石墨烯基區晶體管的延遲時間縮短了1000倍以上，並將其截止頻率由兆赫茲（MHz）提升至吉赫茲（GHz）領域，未來將有望在太赫茲（THz）領域的高速器件中應用。該研究成果近日在《自然⋅通訊》上在線發表。

1947年，第一個雙極結型晶體管（BJT）誕生於貝爾實驗室，引領了人類社會進入信息技術的新時代。過去的幾十年裏，提高BJT的工作頻率一直是人們不懈的追求，異質結雙極型晶體管（HBT）和熱電子晶體管（HET）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，這些器件便遭遇到瓶頸：HBT的截止頻率最終被基區渡越時間所限制，而HET則受限於無孔、低阻的超薄金屬基區的製備難題。

近年來，石墨烯作為性能優異的二維材料備受關注，人們提出將石墨烯作為基區材料製備晶體管，其原子級厚度將消除基區渡越時間的限制，同時其超高的載流子遷移率也有助於實現高質量的低阻基區。

“目前已報道的石墨烯基區晶體管普遍採用隧穿發射結，然而隧穿發射結的勢壘高度嚴重限制了該晶體管作為高速電子器件的發展前景。”該研究團隊負責人表示。他們通過半導體薄膜和石墨烯轉移工藝，首次製備出以肖特基結作為發射結的垂直結構的硅—石墨烯—鍺晶體管。

該研究人員表示，與已報道的隧穿發射結相比，硅—石墨烯肖特基結表現出目前最大的開態電流和最小的發射結電容，從而得到最短的發射結充電時間，使器件總延遲時間縮短了1000倍以上，器件的截止頻率由約1.0MHz提升至1.2GHz。

據悉，我國科研人員同時對器件的各種物理現象進行了分析，並基於實驗數據建模發現了該器件具有工作於太赫茲領域的潛力，這將極大提升石墨烯基區晶體管的性能，為未來最終實現超高速晶體管奠定了基礎。