在高频技术领域,一个核心指标正被业界反复聚焦:太赫兹。尽管5G网络铺设仍在推进,但下一代通信对晶体管的工作频率提出了更高标准——突破1太赫兹,这被视为通往6G通信的关键里程碑。近日,中国科学院金属研究所联合团队在此方向取得了重要进展。
先给出几项关键结论:他们成功研制出全球首款实现射频测试的硅-石墨烯-锗势垒晶体管,这一成果不仅刷新了垂直二维基区晶体管的截止频率纪录,还创下了电流增益的全球最高水平。相关研究论文已发表于《自然·通讯》。
技术瓶颈究竟在哪里?长期以来,利用石墨烯这类二维材料作为基区的垂直晶体管,在理论上极具前景,但现实往往比理论更为复杂。界面处的量子隧穿势垒和结构缺陷,如同路障一般,持续阻碍载流子通过,引发严重散射。这正是制约电流增益与高频性能的根本原因所在。
既然问题源于界面,那就从界面入手突破。研究团队此次采用的策略颇具巧思——他们将高质量的晶圆级单晶石墨烯,通过化学气相沉积外延生长在锗衬底上,再精准堆叠一层硅膜,构建出一种“三明治”结构。关键在于,借助石墨烯在硅和锗两侧形成不对称的肖特基势垒,同时利用石墨烯自身的量子电容效应,使锗一端的电流变化远超硅一侧,最终实现了1.8×107的共射极电流增益——这是目前已报道晶体管中的最高值。
在射频实测中,这款晶体管的本征截止频率达到132 GHz,超越了此前所有同类垂直二维基区晶体管的最高水平,这无疑是一个扎实的进步。更令人关注的是,仿真分析表明,通过优化材料掺杂浓度、降低接触电阻以及缩减寄生效应,其理论工作频率完全有可能突破1太赫兹,进入真正的太赫兹应用频段。这意味着什么?它释放出一个清晰信号:这种势垒晶体管的设计思路,在加速物联网应用、6G感知以及超高速信号处理方面,具备切实的落地潜力。这一方向,值得持续跟踪关注。
