矽-石墨烯-鍺電晶體是由中國科學家製備出的，以肖特基結作為發射結的垂直結構的石墨烯基區電晶體。
基本介紹
- 中文名：矽-石墨烯-鍺電晶體
- 所屬類別：石墨烯基區電晶體
2019年10月25日，中國科學院金屬所瀋陽材料科學國家研究中心先進炭材料研究部科研人員在《自然·通訊》（Nature Communications）上線上發表了題為“垂直結構的矽-石墨烯-鍺電晶體”（A vertical silicon-graphene-germanium transistor）的研究論文。科研人員首次製備出以肖特基結作為發射結的垂直結構的矽-石墨烯-鍺電晶體，成功將石墨烯基區電晶體的延遲時間縮短了1000倍以上，可將其截止頻率由兆赫茲（MHz）提升至吉赫茲（GHz）領域，並在未來有望實現工作於太赫茲（THz）領域的高速器件。
1947年，第一個雙極結型電晶體（BJT）誕生於貝爾實驗室。在過去的幾十年里，提高BJT的工作頻率一直是人們不懈的追求，異質結雙極型電晶體（HBT）和熱電子電晶體（HET）等高速器件相繼被研究報導。然而，當需要進一步提高頻率時，這些器件遭遇了瓶頸。HBT的截止頻率將最終被基區渡越時間所限制，而HET則受限於無孔、低阻的超薄金屬基區的製備難題。石墨烯是一種近年來被廣泛研究且性能優異的二維材料，人們提出使用石墨烯作為基區材料製備電晶體，其原子級厚度將消除基區渡越時間的限制，同時其超高的載流子遷移率也有助於實現高質量的低阻基區。已報導的石墨烯基區電晶體普遍採用隧穿發射結，然而隧穿發射結的勢壘高度嚴重限制了該電晶體作為高速電子器件的發展前景。
目前，金屬所科研人員提出半導體薄膜和石墨烯轉移工藝，首次製備出以肖特基結作為發射結的垂直結構的矽-石墨烯-鍺電晶體（圖1）。與已報導的隧穿發射結相比，矽-石墨烯肖特基結表現出目前最大的開態電流（692 A cm @ 5V）和最小的發射結電容（41 nF cm），從而得到最短的發射結充電時間（118 ps），使器件總延遲時間縮短了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）。通過使用摻雜較重的鍺襯底（0.1 Ω cm），可實現共基極增益接近於1且功率增益大於1的電晶體（圖3）。科研人員同時對器件的各種物理現象進行了分析（圖4）。通過基於實驗數據的建模，科研人員發現該器件具備了工作於太赫茲領域的潛力。
該項研究工作極大地提升了石墨烯基區電晶體的性能，為未來最終實現超高速電晶體奠定了基礎。
該項研究工作由金屬所劉馳副研究員和孫東明研究員提出設計構思，劉馳副研究員開展了器件製備、電學測量和數據分析工作，任文才研究員和博士生馬偉實現了石墨烯的生長和轉移，博士生陳茂林進行了電子顯微鏡等方面的表征研究。劉馳副研究員為論文的第一作者，博士生馬偉為共同第一作者，孫東明研究員為論文的通訊作者。
