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金屬所首次制備出矽-石墨烯-鍺高速晶體管
 
2019-10-28 | 文章来源:先进炭材料研究部        【 】【打印】【關閉

  10月25日,竞博沈阳材料科学国家研究中心先进炭材料研究部科研人员在《自然·通讯》(Nature Communications)上在线发表了题为“垂直结构的硅-石墨烯-锗晶体管”(A vertical silicon-graphene-germanium transistor)的研究论文。科研人员首次制备出以肖特基结作为发射结的垂直结构的硅-石墨烯-锗晶体管,成功将石墨烯基区晶体管的延迟时间缩短了1000倍以上,可将其截止频率由兆赫兹(MHz)提升至吉赫兹(GHz)领域,并在未来有望实现工作于太赫兹(THz)领域的高速器件。

  1947年,第一個雙極結型晶體管(BJT)誕生于貝爾實驗室,標志著人類社會進入了信息技術的新時代。在過去的幾十年裏,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,這些器件遭遇了瓶頸。HBT的截止頻率將最終被基區渡越時間所限制,而HET則受限于無孔、低阻的超薄金屬基區的制備難題。石墨烯是一種近年來被廣泛研究且性能優異的二維材料,人們提出使用石墨烯作爲基區材料制備晶體管,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于實現高質量的低阻基區。已報道的石墨烯基區晶體管普遍采用隧穿發射結,然而隧穿發射結的勢壘高度嚴重限制了該晶體管作爲高速電子器件的發展前景。

  目前,竞博科研人员提出半导体薄膜和石墨烯转移工艺,首次制备出以肖特基结作为发射结的垂直结构的硅-石墨烯-锗晶体管(图1)。与已报道的隧穿发射结相比,硅-石墨烯肖特基结表现出目前最大的开态电流(692 A cm-2 @ 5V)和最小的发射结电容(41 nF cm-2),从而得到最短的发射结充电时间(118 ps),使器件总延迟时间缩短了1000倍以上(128 ps),可将器件的截止频率由约1.0 MHz提升至1.2 GHz(图2)。通过使用掺杂较重的锗衬底(0.1 Ω cm),可实现共基极增益接近于1且功率增益大于1的晶体管(图3)。科研人员同时对器件的各种物理现象进行了分析(图4)。通过基于实验数据的建模,科研人员发现该器件具备了工作于太赫兹领域的潜力。

  該項研究工作極大地提升了石墨烯基區晶體管的性能,爲未來最終實現超高速晶體管奠定了基礎。

  該項研究工作由金屬所劉馳副研究員和孫東明研究員提出設計構思,劉馳副研究員開展了器件制備、電學測量和數據分析工作,任文才研究員和博士生馬偉實現了石墨烯的生長和轉移,博士生陳茂林進行了電子顯微鏡等方面的表征研究。劉馳副研究員爲論文的第一作者,博士生馬偉爲共同第一作者,孫東明研究員爲論文的通訊作者。

  该项研究工作得到了国家自然科学基金、中國科學院、竞博、沈阳材料科学国家研究中心、青年千人计划和国家重点研发计划等项目资助。

  原文鏈接

图1 硅-石墨烯-锗晶体管的设计和制备。a. 器件的制备流程。b-d. 器件的光学、SEM和截面示意图。e. 器件原理示意图。

  图2 硅-石墨烯发射结性能。a. 发射结IV曲线。 b. 漏电流和温度的依赖关系。c. 与隧穿发射结的开态电流的对比。 d. 与隧穿发射结的共基极截止频率的对比。

图3 硅-石墨烯-锗晶体管性能。a-d. 使用轻掺杂Ge衬底时的硅-石墨烯发射结和石墨烯-锗集电结IV曲线、输入(Ie-Ve)和轉移(Ic-Ve)特性曲線、共基極增益α、輸出特性(Ic-Vc)曲线。e-h. 使用重掺杂Ge衬底时的相应曲线。

图4 考虑石墨烯量子电容效应时晶体管的能带示意图。a. 无偏压。b. 发射结正偏。c. 集电结反偏。相关物理现象及应用研究介绍详见论文补充材料。

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