隨著我們進入5G的無線世界，毫米波頻段（即30至300 GHz）的通信將變得越來越重要，特別是對於高速無線數據傳輸應用而言。無論是5G毫米波頻段的確定，還是國際規則的修改，乃至保護措施的制定，其結果將對數萬億美元的信息通信技術產業產生深遠影響。因此，在WRC-19大會上，5G毫米波議題是世界各國以及國際組織關注的重中之重，也成為他們相互博弈的主要戰場。
1947年，第一個雙極結型晶體管（BJT）誕生於貝爾實驗室，引領了人類社會進入信息技術的新時代。問題在於，在這些小波長下，在線信號強度影響下會迅速降低，因此需要將電路高度集成到儘可能小的佔位面積中。為了最好地實現這一點，高頻晶體管技術需要與數字電子產品的主力技術兼容：互補金屬氧化物半導體（CMOS）。
最新的研究表明，由排列的碳納米管制成的晶體管在無線設備中的性能可能比常用的III-V半導體更好。這主要是由於其高度線性的信號放大以及與CMOS電路的更好兼容性。
考慮到這一點，總部位於洛杉磯的半導體電子公司Carbonics Inc.的研究人員最近開發了一種新型的由排列的碳納米管制成的晶體管。這種新晶體管發表在《自然電子》上 的論文中，其工作頻率為千兆赫茲，並且比大多數現有晶體管更容易與CMOS技術集成。
“在研究期間，我與加州大學歐文分校的彼得·伯克教授（該技術的原始火炬手之一）一起研究了碳納米管的射頻應用，”進行這項研究的研究人員之一Rutherglen說。“畢業後，我繼續在一家名為Aneeve LLC的公司工作，主要是使用USC的Chongwu Zhou小組的IP（知識產權）許可，使用碳納米管制造高頻晶體管。”
2014年，在獲得大量風險投資資金後，Rutherglen所在的公司Aneeve LLC重新合併為Carbonics Inc.。從那時起，這個新公司一直在嘗試開發高頻碳納米管晶體管並最終使其商業化。該結果最近發表在《自然電子》上，對於Carbonics Inc.以及這種特殊類型晶體管的整體發展而言，都是一個重大的飛躍。
Rutherglen和他的同事開發的高頻晶體管與類似的現有技術之間的主要區別在於，前者是由數千種排列的碳納米管制成，而不是由高維Si或III-V材料製成。碳納米管的重要優點是它們是一維材料，因此具有出色的傳輸特性。
Rutherglen解釋說：“當電子通過任何材料傳輸時，它們都有沿其行進路徑散射或碰撞的趨勢，這最終會降低整個設備的速度。” “在諸如碳納米管的一維材料中，電子可以在散射之前傳播更長的距離，因為電子可以散射到的可用狀態更少。簡而言之：電子不能向上或向下，向右或向左散射，因為不存在這樣狀態的一維材料。”
晶體管中碳納米管的另一個優點是，可以使用簡單的表面塗覆方法將其應用於多種基材。此特性有助於它們與CMOS和其他半導體技術的集成，因為它使它們更易於與其他材料組合。
晶體管的圖像渲染。圖片來源：Rutherglen等。
Rutherglen說：“近二十年來，基於碳納米管的高頻晶體管一直被認為是改變遊戲規則的技術。但早期的猜想並未實現，因此許多人隨後放棄了這項技術的優點並繼續前進。如我們的論文所報道，我們首次證明了碳納米管高頻晶體管技術可以實現關鍵指標中現有的設備性能表現不俗。”
Rutherglen及其同事進行的這項研究為開發更易於與CMOS電路集成的晶體管開闢了新的可能性。他們的發現還表明，通過解決與開發此類技術相關的一些已知挑戰，可以進一步提高晶體管的性能。
將來由這組研究人員收集的結果可能會促使半導體行業發生變化，從而鼓勵電子製造商重新評估現有晶體管的設計和結構。為了使對準的碳納米管晶體管從原型階段進入大眾市場，該技術仍需要獲得數億美元的投資。
Rutherglen說：“我們的下一步是繼續改善所取得的成果，並與行業合作伙伴一起推動技術的發展。” “我們目前正在與行業參與者建立許可和技術轉讓合作伙伴關係。”
英雄所見略同。日前，中國科學院金屬研究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首次製備出以肖特基結作為發射結的垂直結構晶體管“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，並將其截止頻率由兆赫茲（MHz）提升至吉赫茲（GHz）領域，未來將有望在太赫茲（THz）領域的高速器件中應用。該研究成果近日在《自然·通訊》上在線發表。
研究人員表示，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和最小的發射結電容，從而得到最短的發射結充電時間，使器件總延遲時間縮短了1000倍以上，器件的截止頻率由約1.0MHz提升至1.2GHz。
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