10月25日，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）上在線發表了題為“垂直結構的硅-石墨烯-鍺晶體管”（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硅-石墨烯-鍺晶體管，成功將石墨烯基區晶體管的延遲時間縮短了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，第一個雙極結型晶體管（BJT）誕生於貝爾實驗室，標誌著人類社會進入了信息技術的新時代。在過去的幾十年裡，提高BJT的工作頻率一直是人們不懈的追求，異質結雙極型晶體管（HBT）和熱電子晶體管（HET）等高速器件相繼被研究報道。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晶體管，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。已報道的石墨烯基區晶體管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晶體管作為高速電子器件的發展前景。
圖1 硅-石墨烯-鍺晶體管的設計和製備。a. 器件的製備流程。b-d. 器件的光學、SEM和截面示意圖。e. 器件原理示意圖。
圖2 硅-石墨烯發射結性能。a. 發射結IV曲線。 b. 漏電流和溫度的依賴關係。c. 與隧穿發射結的開態電流的對比。 d. 與隧穿發射結的共基極截止頻率的對比。
圖3 硅-石墨烯-鍺晶體管性能。a-d. 使用輕摻雜Ge襯底時的硅-石墨烯發射結和石墨烯-鍺集電結IV曲線、輸入（Ie-Ve）和轉移（I
c-Ve）特性曲線、共基極增益α、輸出特性（Ic-Vc）曲線。e-h. 使用重摻雜Ge襯底時的相應曲線。
圖4 考慮石墨烯量子電容效應時晶體管的能帶示意圖。a. 無偏壓。b. 發射結正偏。c. 集電結反偏。相關物理現象及應用研究介紹詳見論文補充材料。
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硅-石墨烯-鍺晶體管（圖1）。與已報道的隧穿發射結相比，硅-石墨烯肖特基結表現出目前最大的開態電流（692 A cm-2 @ 5V）和最小的發射結電容（41 nF cm-2），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的晶體管（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晶體管的性能，為未來最終實現超高速晶體管奠定了基礎。
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徵研究。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。
該項研究工作得到了國家自然科學基金、中國科學院、金屬所、瀋陽材料科學國家研究中心、青年千人計劃和國家重點研發計劃等項目資助。
來源 中科院金屬所
論文鏈接
https://www.nature.com/articles/s41467-019-12814-1
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