我国科研人员研制新型高频晶体管刷新全球纪录

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科技日报记者 杨仑

记者从中国科学院金属研究所获悉，该所孙东明、刘驰团队联合多家科研单位，在高频晶体管领域取得重要突破。团队成功研制出国际上首款实现射频测试的硅-石墨烯-锗势垒晶体管，该器件刷新了垂直二维基区晶体管的截止频率纪录，并创造了晶体管电流增益的世界最高值。相关成果于北京时间6月6日发表于国际学术期刊《自然·通讯》。

高频硅-石墨烯-锗晶体管器件结构。a. 外延石墨烯晶圆；b. 器件截面示意图；c. 器件结构展开图；d. 扫描电子显微镜图像；e. 器件阵列光学图像。

随着5G规模化部署和6G前瞻研究加速，物联网、智能传感和高速通信要求晶体管的工作频率突破1太赫兹（THz）。近年来，利用石墨烯等二维材料作为基区的垂直二维基区晶体管虽被寄予厚望，但界面处的量子隧穿势垒和缺陷问题长期存在，导致严重的载流子散射，限制了器件的电流增益与高频性能。

针对这一核心难题，联合团队提出了一种全新的器件架构，他们将晶圆级单晶单层石墨烯通过化学气相沉积外延生长于锗衬底上，再精确堆叠单晶硅膜，构筑出高质量的硅-石墨烯-锗垂直异质结构。研究团队利用石墨烯与硅、锗界面形成的不对称肖特基势垒，并结合石墨烯的量子电容效应实现功函数调控，使得锗端的电流变化幅度远大于硅端，从而产生了1.8\times 107（一亿八千万倍）的共射极电流增益，创下目前已报道晶体管中的最高纪录。

在射频实测中，该晶体管的本征截止频率达到132 GHz，超越了过去所有垂直二维基区晶体管的最高水平。进一步的器件建模与仿真分析表明，通过优化材料掺杂浓度、降低接触电阻及缩减寄生效应，该器件的理论工作频率有望突破1 THz，进入太赫兹应用频段。该项工作为势垒晶体管在射频与太赫兹通信领域的实际应用奠定了基础，也为未来物联网、6G传感系统及超高速信号处理开辟了全新的技术路径。

（受访者供图）