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科學(xué)家首次制備出硅-石墨烯-鍺高速晶體管
發(fā)表時(shí)間:2020-02-24     閱讀次數:     字體:【

10月25日,中國科學(xué)院金屬研究所沈陽(yáng)材料科學(xué)國家研究中心先進(jìn)炭材料研究部科研人員在《自然·通訊》上在線(xiàn)發(fā)表了題為“垂直結構的硅-石墨烯-鍺晶體管”的研究論文??蒲腥藛T首次制備出以肖特基結作為發(fā)射結的垂直結構的硅-石墨烯-鍺晶體管,成功將石墨烯基區晶體管的延遲時(shí)間縮短了1000倍以上,可將其截止頻率由兆赫茲(MHz)提升至吉赫茲(GHz)領(lǐng)域,并在未來(lái)有望實(shí)現工作于太赫茲(THz)領(lǐng)域的高速器件。

1947年,第一個(gè)雙極結型晶體管(BJT)誕生于貝爾實(shí)驗室,標志著(zhù)人類(lèi)社會(huì )進(jìn)入了信息技術(shù)的新時(shí)代。在過(guò)去的幾十年里,提高BJT的工作頻率一直是人們不懈的追求,異質(zhì)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(jìn)一步提高頻率時(shí),這些器件遭遇了瓶頸。HBT的截止頻率將最終被基區渡越時(shí)間所限制,而HET則受限于無(wú)孔、低阻的超薄金屬基區的制備難題。石墨烯是一種近年來(lái)被廣泛研究且性能優(yōu)異的二維材料,人們提出使用石墨烯作為基區材料制備晶體管,其原子級厚度將消除基區渡越時(shí)間的限制,同時(shí)其超高的載流子遷移率也有助于實(shí)現高質(zhì)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(fā)射結,然而隧穿發(fā)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(fā)展前景。

金屬所科研人員提出半導體薄膜和石墨烯轉移工藝,首次制備出以肖特基結作為發(fā)射結的垂直結構的硅-石墨烯-鍺晶體管(圖1)。與已報道的隧穿發(fā)射結相比,硅-石墨烯肖特基結表現出目前最大的開(kāi)態(tài)電流(692 A cm-2 @ 5V)和最小的發(fā)射結電容(41 nF cm-2),從而得到最短的發(fā)射結充電時(shí)間(118 ps),使器件總延遲時(shí)間縮短了1000倍以上(128 ps),可將器件的截止頻率由約1.0 MHz提升至1.2 GHz(圖2)。通過(guò)使用摻雜較重的鍺襯底(0.1 Ω cm),可實(shí)現共基極增益接近于1且功率增益大于1的晶體管(圖3)??蒲腥藛T同時(shí)對器件的各種物理現象進(jìn)行了分析(圖4)。通過(guò)基于實(shí)驗數據的建模,科研人員發(fā)現該器件具備了工作于太赫茲領(lǐng)域的潛力。

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

圖1 硅-石墨烯-鍺晶體管的設計和制備。a. 器件的制備流程。b-d. 器件的光學(xué)、SEM和截面示意圖。e. 器件原理示意圖。

圖2 硅-石墨烯發(fā)射結性能。a. 發(fā)射結IV曲線(xiàn)。 b. 漏電流和溫度的依賴(lài)關(guān)系。c. 與隧穿發(fā)射結的開(kāi)態(tài)電流的對比。 d. 與隧穿發(fā)射結的共基極截止頻率的對比。

圖3 硅-石墨烯-鍺晶體管性能。a-d. 使用輕摻雜Ge襯底時(shí)的硅-石墨烯發(fā)射結和石墨烯-鍺集電結IV曲線(xiàn)、輸入(Ie-Ve)和轉移(Ic-Ve)特性曲線(xiàn)、共基極增益α、輸出特性(Ic-Vc)曲線(xiàn)。e-h. 使用重摻雜Ge襯底時(shí)的相應曲線(xiàn)。

圖4 考慮石墨烯量子電容效應時(shí)晶體管的能帶示意圖。a. 無(wú)偏壓。b. 發(fā)射結正偏。c. 集電結反偏。相關(guān)物理現象及應用研究介紹詳見(jiàn)論文補充材料。來(lái)源:中國日報網(wǎng)


 
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