С масштабным развертыванием сетей 5G и перспективными исследованиями технологий 6G, интернет вещей (IoT), сверхскоростные сенсоры и интеллектуальные системы связи предъявляют беспрецедентные требования к скорости работы транзисторов, а именно, их граничная частота должна превысить ключевой порог в 1 терагерц (ТГц). Однако производительность традиционных высокочастотных транзисторов, таких как транзисторы с высокой подвижностью электронов (HEMT) и гетеропереходные биполярные транзисторы (HBT), ограничена временем пролета носителей в канале или базовой области объемного материала, что затрудняет удовлетворение потребностей применения в терагерцовом диапазоне. В последние годы вертикальные транзисторы с двумерной базой, использующие графен и другие двумерные материалы в качестве базы, благодаря атомарной толщине значительно сокращают время вертикального пролета носителей, демонстрируя огромный потенциал для создания терагерцовых транзисторов. Однако распространенные в таких устройствах проблемы квантового туннельного барьера и дефектов на границах раздела приводят к сильному рассеянию носителей, что ограничивает их коэффициент усиления по току и высокочастотные характеристики. Таким образом, преодоление барьерных ограничений на границах раздела с помощью новых механизмов управления для достижения высокого усиления и повышения граничной частоты стало ключевой научной задачей в разработке вертикальных транзисторов с двумерной базой.

Для решения этой проблемы Институт металлов Китайской академии наук совместно с несколькими исследовательскими организациями предложил инновационную высокочастотную архитектуру устройства — кремний-графен-германиевый барристор (Si-Graphene-Ge Barristor). Соответствующие результаты исследования были недавно опубликованы в журнале Nature Communications под названием «A high-frequency silicon-graphene-germanium barristor», что знаменует собой значительный прорыв в области высокочастотных вертикальных транзисторов с двумерной базой.

Это первый в мире барристор, успешно реализовавший функцию радиочастотного тестирования. Исследовательская группа сначала вырастила эпитаксиально методом химического осаждения из газовой фазы монокристаллический однослойный графен пластинчатого масштаба на германиевой подложке, а затем точно наложила монокристаллическую кремниевую пленку поверх графена, создав высококачественную вертикальную гетероструктуру кремний-графен-германий (как показано на рисунке 1). Эта структура использует асимметричные барьеры Шоттки, образующиеся на границах раздела графена с кремнием и германием, а также эффект квантовой емкости графена для регулировки работы выхода, что приводит к гораздо большему изменению тока на германиевой стороне по сравнению с кремниевой, обеспечивая коэффициент усиления по току в схеме с общим эмиттером до 1,8 ✖ 10⁷, что является самым высоким показателем среди всех когда-либо сообщавшихся транзисторов (как показано на рисунке 2). Что касается высокочастотных характеристик, этот транзистор достиг собственной граничной частоты (f_T) 132 ГГц, превзойдя предыдущий рекорд для всех вертикальных транзисторов с двумерной базой (как показано на рисунке 3). Дальнейший анализ с помощью моделирования устройства и симуляции показывает, что за счет оптимизации концентрации легирования материала, снижения контактного сопротивления и уменьшения паразитных эффектов теоретическая рабочая частота устройства может превысить 1 ТГц, войдя в терагерцовый диапазон применения (как показано на рисунке 4).

Это исследование не только закладывает прочную основу для применения барристоров в радиочастотной и терагерцовой связи, но и открывает новый технологический путь для сверхскоростной обработки сигналов в будущих системах IoT и сенсорных системах 6G.

Данная исследовательская работа была выполнена под руководством исследователей Сунь Дунмина и Лю Чи из Института металлов Китайской академии наук в сотрудничестве с командой Сюэ Чжунъина из Шанхайского института микросистем и информационных технологий, командой Гао Цзяньцзюня из Восточно-Китайского педагогического университета, командой Ван Линфэя из Института микроэлектроники, а также исследователем Сун Сюбо из Национальной ключевой лаборатории твердотельных СВЧ-приборов и схем. Ван Сяоюэ и Цяо Цзышэнь из Института металлов, а также Сунь Шаотан из Института микроэлектроники являются соавторами статьи. Данная работа была поддержана Национальным фондом естественных наук Китая, Национальной ключевой программой исследований и разработок, Программой выдающихся молодых ученых провинции Ляонин и другими источниками.Рисунок 1. Структура высокочастотного кремний-графен-германиевого транзисторного устройства. a. Эпитаксиальная графеновая пластина; b. Схематическое поперечное сечение устройства; c. Развернутая структура устройства; d. Изображение сканирующего электронного микроскопа; e. Оптическое изображение массива устройств.

Рисунок 2. Механизм барристора и постоянные характеристики. a. Энергетическая диаграмма асимметричного барьера Шоттки; b. Входные характеристики устройства; c. Передаточные характеристики устройства; d. Зависимость коэффициента усиления по току от напряжения затвора; e. Статистический анализ усиления устройства; f. Сравнение усиления с транзисторами на других материалах.

Рисунок 3. Радиочастотные характеристики барристора. a. Частотная характеристика усиления H₂₁ при различных смещениях; b. Зависимость граничной частоты усиления по току от напряжения смещения; c. Температурная зависимость граничной частоты; d. Распределение граничной частоты при различной концентрации легирования германия; e. Статистика граничной частоты для устройств разной площади; f. Сравнение радиочастотных характеристик с другими вертикальными транзисторами с двумерной базой.

Рисунок 4. Компактная физическая модель кремний-графен-германиевого барристора. a. Схема емкостной модели и энергетических зон; b. Изменение граничной частоты в зависимости от напряжения смещения; c. Изменение граничной частоты в зависимости от концентрации легирования; d. Изменение граничной частоты в зависимости от высоты барьера Шоттки.

Этот результат показывает, что китайские научно-исследовательские коллективы продолжают продвигать направление высокочастотных устройств на двумерных материалах к этапу инженерного тестирования. Графеновые устройства долгое время сталкивались с проблемой трансформации «сильные свойства материала, сложная интеграция устройств». Данное исследование позволило проверить в одной системе пластинчатый монокристаллический графен, качество гетеропереходных границ и радиочастотные показатели, предоставив более четкую экспериментальную основу для последующих исследований терагерцовых электронных устройств.