基于碳纳米管阵列的太赫兹晶体管新进展

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随着5G/6G通信技术的发展，现有半导体器件技术难以满足90 GHz以上工作频段的大规模数字集成电路的需求，需要新原理、新材料、新器件结构来推动通信技术的进一步发展。

目前两种最常用的射频器件是硅基CMOS技术(互补金属氧化物半导体)和III-V化合物半导体技术(主要是GaAs、InP等)。硅基CMOS技术可以以低成本实现高集成度，但在20 GHz以上的频率下其线性度和噪声性能较差。基于III-V化合物的器件可用于构建运行频率超过20 GHz的系统，但不能直接与同一芯片上的数字系统集成。一种理想的通用半导体射频芯片应具有高运行频率和高集成度，同时可用于通信与雷达领域的无线射频/模拟电路设计，以及信息处理的数字集成电路设计。

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、本征尺寸小、化学稳定性高、导热性好和机械强度高等特性，可应用于数字集成电路和射频电路中，在构建射频/数字电路SOC系统集成平台方面具有巨大的潜力和优势，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张志勇教授和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，开发了适合射频应用的半导体碳纳米管阵列材料，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，充分展示了碳纳米管在射频电子学中的优势和潜力。

课题组优化了大规模射频应用的材料制备。采用烷基链较少的PCO-Bpy分子经过两次分散提纯和双液相自组装沉积工艺，在4英寸晶圆上获得高半导体型纯度(>99.99%)、高取向和高密度(100-120 CNTs/μm)的碳管阵列制备，载流子迁移率高达1580 cm² V^-1s^-1。课题组在全绝缘的石英衬底上制备了碳纳米管阵列射频晶体管，其中50 nm 栅长器件的测量截止频率(f_T,EXT)和功率增益截止频率(f_MAX,EXT) 分别达到186 GHz和158 GHz，是目前基于纳米材料晶体管的最高值。在高阻硅衬底上制备的晶体管具有高达1.9 mA/μm的开态电流和1.4 mS/μm的跨导（当V_ds=-0.9 V时），50 nm栅长射频晶体管的本征截止频率(f_T,IN_T)和功率增益截止频率(f_MAX,EXT) 分别为540 GHz和306 GHz，这表明碳基射频器件首次进入太赫兹波段。

课题组进一步探索了碳基射频放大器的潜在应用，通过使用多指栅结构来提升负载驱动能力，从而实现具有更高增益和线性度的碳基放大器。碳基放大器首次在18 GHz（K波段）下实现了高达23.2 dB的增益，1 dB的压缩点输出功率超过9 dBm，OIP3的三阶交调特性超过31 dBm，而相应的OIP3/P_dc为19.7 dB。各项关键指标均远高于先前报道的最好的碳基射频晶体管或放大器，甚至与III-V化合物半导体技术相当。

Terahertz Transistors Based on Aligned Carbon Nanotube Arrays

Li DING & Zhiyong ZHANG

Sci China Inf Sci, 2022, 65(1): 117301