张志勇-彭练矛课题组在碳基射频电子器件研究中取得重要进展

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未来第六代通信技术要求射频器件和电路的吞吐量、传输速度和集成度具有全方位、大幅度的提升，实现射频/数字单片混合集成芯片是最有吸引力的解决方案。特别是在90 GHz以上工作频段，硅基CMOS晶体管噪声太大，无法满足射频电路需要，化合物半导体器件技术无法满足大规模数字集成电路的需求，因此需要新的原理、新的材料、新的器件结构架构来推动通信技术的进一步发展。
       半导体碳纳米管具有超高载流子迁移率和饱和速度、优异的本征线性度等电学特征，并且本征尺寸小、化学稳定性高、导热性好、机械强度高，在数字集成电路和射频电路领域都具有巨大潜力，具备构建射频/数字电路SOC系统集成平台的优势，有望为未来6G通信技术提供理想的核心芯片技术。
        北京大学电子系碳基电子学研究中心、纳米器件物理与化学教育部重点实验室张志勇教授-彭练矛教授联合课题组通过改进提纯和双液相自组装沉积方法，制备了适合射频应用的半导体阵列碳纳米管材料，并在此基础上首次实现了有望在太赫兹频段工作的射频晶体管和高性能放大器，充分展现了碳管在射频电子学上的优势和潜力。联合课题组针对射频的大规模应用优化了材料制备，采用烷基链较少的PCO-Bpy分子经两次分散提纯和双液相自组装沉积工艺，在4英寸晶圆上实现了高半导体型纯度（>99.99%）、高取向和高密度（100~120根/微米）的碳管阵列的制备，载流子迁移率最高达1580 cm2 V-1 s-1(见图一）。课题组在全绝缘的石英衬底上制备了阵列碳纳米管射频晶体管，其中50 nm栅长器件的实测截止频率（fT，EXT）和功率增益截止频率（fMAX，EXT）分别达到了186 GHz和158 GHz，是所有基于纳米材料晶体管的最高值（见图二）。高阻硅衬底的晶体管展示出最高达1.9 mA/μm的开态电流和1.4 mS/μm的跨导（Vds=-0.9V时，见图三），50 nm栅长射频晶体管的本征截止频率（fT，INT）和功率增益截止频率（fMAX，INT）分别为540 GHz和306 GHz，这表明碳基射频器件首次进入到了太赫兹频段（见图四）。课题组进一步探索了碳基射频晶体管在射频放大器中的应用潜力，通过采用多指栅结构提升碳基晶体管的负载驱动能力，实现了碳基放大器在功率增益和线性度上的提升，首次在18 GHz（K波段）实现了高达23.2 dB的增益，线性度测试中实现了> 9 dBm的1 dB压缩点输，出功率和OIP3=31.2 dBm的三阶交调特性，对应的OIP3/Pdc为19.7 dB@18 GHz（见图五），各项关键指标均远高于之前美国南加州大学报道的最好碳基放大器。

图1 阵列碳管与制备和表征

图2 石英衬底上的阵列碳管射频晶体管

图3 高阻硅衬底上阵列碳管晶体管直流特性

图4 高阻硅衬底上阵列碳管晶体管的射频性能表征

图5 碳纳米管射频放大器的功率增益和线性度表征

        该工作首次将碳纳米管射频器件的工作带宽提升至了太赫兹领域，真正展示了碳纳米管器件的高速和高带宽优势。2021年6月21日，相关研究成果以“基于阵列碳纳米管的射频晶体管器件”（Radiofrequency transistors based on aligned carbon nanotube arrays）为题，在线发表于《自然·电子学》（Nature Electronics），并被选为封面文章（见图六）；北京大学前沿交叉学科研究院2016级博士生石惠文，电子学系副研究员丁力、仲东来博士和工程师韩杰为并列第一作者，北京大学电子系碳基电子学研究中心、纳光电前沿科学中心张志勇教授和彭练矛院士为共同通讯作者。

图6 期刊封面

        上述研究得到国家重点研发计划“纳米科技”重点专项、北京市科技计划等资助。


        文章来源：北京大学
      彭练矛，男，北京大学教授，中国科学院院士，1962年9月生，湖南平江人，1982年北京大学电子学系毕业，1988年在美国获物理学博士学位。研究员，博士研究生导师。北京大学长江特聘教授（纳米科学与技术）。主要从事纳米电子材料和器件研究。现任北京大学信息学院“博雅”特聘教授、电子学系主任、纳米器件物理与化学教育部重点实验室主任，湘潭大学湖南先进传感与信息技术创新研究院院长，政协北京市第十三届委员，国际晶体学联合会电子晶体学委员会主席 ，中国电子显微镜学会、中国晶体学会、中国真空学会副理事长，北京纳米科技产业创新联盟技术委员会副主任。2019年11月22日，当选中国科学院院士。
     张志勇，博士，北京大学信息科学技术学院教授，博士生导师。主要研究领域为纳米电子学，近十年主要从事碳纳米管晶体管和集成电路研究。入选教育部新世纪优秀人才计划，首届中组部“万人计划-青年拔尖人才支持计划，2013年获得基金委“优秀青年基金”项目支持，并获2013年教育部自然科学一等奖(2/8)，2016年国家自然科学二等奖，2016年茅以升青年科技奖。在碳基纳米器件领域发表论文100余篇，SCI总引用3500余次，H因子为30。相关工作15次被写入国际半导体技术路线图(ITRS)“新兴研究材料”与“新兴研究器件”报告。