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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(xiàn)射頻/數(shù)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(guī)模數(shù)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(fā)展。
半導體碳納米管具有超高載流子遷移率和飽和速度、優(yōu)異的本征線性度等電學特征，并且本征尺寸小、化學穩(wěn)定性高、導熱性好、機械強度高，在數(shù)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(shù)字電路SOC系統(tǒng)集成平臺的優(yōu)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(lián)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(xiàn)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(xiàn)了碳管在射頻電子學上的優(yōu)勢和潛力。聯(lián)合課題組針對射頻的大規(guī)模應用優(yōu)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(xiàn)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(tài)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(xiàn)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(xiàn)了高達23.2 dB的增益，線性度測試中實現(xiàn)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(yōu)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(fā)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(fā)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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