北京大学张志勇-彭练矛团队在阵列碳纳米管太赫兹领域取得重要进展

第六代无线通讯技术的发展对射频器件提出了更高频率、更高带宽和更低延迟的要求，传统硅基晶体管在尺寸缩减过程中，高频性能逐渐饱和，难以满足太赫兹频率的应用需求；三五族材料则受限于CMOS架构难以实现，在集成度上始终面临发展困难。而作为后摩尔时代重要材料之一的碳纳米管，凭借其高迁移率、高饱和速率以及低寄生的特性，碳纳米管已经展现出太赫兹频率工作的潜能，然而，大多数研究工作主要集中于提升碳纳米管材料质量以提升射频器件高频性能，虽然已达到太赫兹频段（>300GHz）的截止频率，却始终未能展现出达到THz频率的巨大潜力。

基于此，北京大学电子学院、碳基电子学研究中心、纳米器件物理与化学教育部重点实验室张志勇-彭练矛联合课题组基于阵列碳纳米管，通过缩减栅长至35nm并引入先进的Y型栅电极结构，降低栅电阻的同时保持低的寄生电容特性，成功制备出首个截止频率fmax超过1THz的金属氧化物半导体场效应晶体管，充分展现出碳纳米管在太赫兹高速领域的巨大应用价值。

图1: A-CNT MOSFETs的结构与直流性能

图2: A-CNT MOSFETs的结构、直流和射频性能

研究人员通过优化制备工艺和栅电极结构，在栅长Lg=80nm的器件上实现了3.02mA/um的开态电流和1.71mS/um的峰值跨导，载流子迁移率高达3190cm 2V ^-1s ^-1，饱和速度达到3.5×10 ⁷cm/s，接近碳纳米管速度极限；通过引入先进Y-gate栅电极并缩减栅长至35nm，在100um尺寸的射频器件上实现175mA和145mS的开态电流和跨导，实现截止频率ft/fmax高达551GHz/1024GHz，成功验证了碳纳米管的THz工作潜力。

图3：本研究A-CNT MOSFET与其他材料射频性能对比

图4：A-CNT MOSFET中Y型栅电极特性分析

凭借优化的Y型栅电极结构，相较于传统T型栅电极，具有更大截面积（更低栅电阻）和更低寄生电容的优异特性，因此在尺寸缩减过程中，具有超过其他所有材料的高频性能，同时也是除三五族材料（InP/InGaAs）外，唯一一个实现截止频率达到1THz的半导体材料。基于改进的阵列碳纳米管射频器件，进一步制备出的毫米波放大器实现了30GHz下21.4dB的增益，具有与GaN、GaAs等材料商用器件相媲美的放大性能。

图5：基于A-CNT MOSFET的放大器性能展示

相关研究成果以题为《基于阵列碳纳米管的太赫兹金属半导体场效应晶体管》（“Terahertz metal–oxide–semiconductor transistors based on aligned carbon nanotube arrays”）的论文，于10月2日在线发表于《自然-电子学》（Nature Electronics）。北京大学电子学院2018级博士生周简硕和2021级博士生潘梓澎为共同第一作者，北京大学电子学院、碳基电子学研究中心、纳米器件物理与化学教育部重点实验室彭练矛教授、张志勇教授和丁力研究员为共同通讯作者，合作单位还包括湘潭大学湖南省先进传感与信息技术创新研究院、北京大学重庆碳基集成电路研究院、浙江大学等。上述研究得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、北京市科技计划等项目的资助以及北京大学微纳加工实验室校级平台的支持。