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石墨烯再“立功”!中国科学家成功研制高速晶体管

发布时间:2019-11-12 浏览:111

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从中国科学院金属研究所获悉,该所沈阳材料科学国家研究中心先进炭材料研究部科研人员首次制备出以肖特基结作为发射结的垂直结构晶体管“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,并将其截止频率由兆赫兹提升至吉赫兹领域。相关成果已于近日在线发表于国际学术期刊《自然•通讯》。

据该成果论文的通讯作者、中科院金属所研究员孙东明介绍,这一研究工作提升了石墨烯基区晶体管的性能,未来将有望在太赫兹领域的高速器件中应用,为最终实现超高速晶体管奠定了基础。

(硅-石墨烯-锗晶体管相关器件示意图)

1947年,第一个双极结型晶体管诞生于美国贝尔实验室,引领人类社会进入信息技术的新篇章。在过去的几十年里,提高双极结型晶体管的工作频率,成为科学界的不懈追求,异质结双极型晶体管和热电子晶体管等高速器件相继被研究报道。然而,当需要进一步提高频率时,这些器件遭遇了瓶颈。异质结双极型晶体管的截止频率,最终被基区渡越时间所限制,而热电子晶体管的发展,则受限于无孔、低阻的超薄金属基区的制备难题。

石墨烯,这个性能优异的二维材料,近年来倍受关注。科学界提出将石墨烯作为基区材料制备晶体管,其原子级厚度将消除基区渡越时间的限制,同时其超高的载流子迁移率也有助于实现高质量的低阻基区。

“目前已报道的石墨烯基区晶体管,普遍采用隧穿发射结,然而隧穿发射结的势垒高度,严重限制了该晶体管作为高速电子器件的发展前景。”此次成果论文的第一作者、中科院金属所副研究员刘驰表示,科研人员提出了半导体薄膜和石墨烯转移工艺,首次制备出如今这一成果。

据刘驰介绍,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和最小的发射结电容,从而得到最短的发射结充电时间,使器件总延迟时间缩短了1000倍以上,可将器件的截止频率由约1.0兆赫兹提升至1.2吉赫兹。刘驰说,通过基于实验数据的建模,科研人员进一步发现,该器件具备工作于太赫兹领域的潜力,而这对于未来的晶体管研制具有十分重要的意义。

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