傳統(tǒng)高頻晶體管如高電子遷移率晶體管（HEMT）和異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管（HBT），其性能受限于載流子在溝道或體材料基區(qū)中的渡越時間，難以滿足太赫茲頻段的應(yīng)用需求。
6月6日，國際學(xué)術(shù)期刊《自然·通訊》（Nature Communications）在線發(fā)表了中國科學(xué)院金屬研究所孫東明、劉馳團(tuán)隊聯(lián)合多家科研單位的研究成果。團(tuán)隊成功研制出國際上首款實現(xiàn)射頻測試的硅-石墨烯-鍺勢壘晶體管（Si-Graphene-Ge Barristor），該器件刷新了垂直二維基區(qū)晶體管的截止頻率紀(jì)錄，并創(chuàng)造了晶體管電流增益的世界最高值。
傳統(tǒng)晶體管已觸及物理天花板
隨著5G規(guī)模化部署與6G技術(shù)前瞻性探索加速，物聯(lián)網(wǎng)（IoT）、超高速傳感及智能通信系統(tǒng)對晶體管的運(yùn)行速度提出了前所未有的要求——其截止頻率需突破1太赫茲（THz）的關(guān)鍵門檻。
然而，傳統(tǒng)高頻晶體管如高電子遷移率晶體管（HEMT）和異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管（HBT），其性能受限于載流子在溝道或體材料基區(qū)中的渡越時間，難以滿足太赫茲頻段的應(yīng)用需求。
近年來，垂直二維基區(qū)晶體管采用石墨烯等二維材料作為基區(qū)，憑借原子級厚度大幅縮短載流子的垂直渡越時間，在構(gòu)筑太赫茲晶體管方面展現(xiàn)出巨大潛力。但該類器件普遍存在量子隧穿勢壘與界面缺陷問題，導(dǎo)致嚴(yán)重的載流子散射，從而限制其電流增益與高頻性能。如何通過新型調(diào)控機(jī)制克服界面瓶頸，已成為發(fā)展垂直二維基區(qū)晶體管的核心科學(xué)挑戰(zhàn)。
硅-石墨烯-鍺"三明治"結(jié)構(gòu)
針對這一難題，聯(lián)合團(tuán)隊提出了一種創(chuàng)新性的高頻器件架構(gòu)——硅-石墨烯-鍺勢壘晶體管。
圖1. 高頻硅-石墨烯-鍺晶體管器件結(jié)構(gòu)。a. 外延石墨烯晶圓；b. 器件截面示意圖；c. 器件結(jié)構(gòu)展開圖；d. 掃描電子顯微鏡圖像；e. 器件陣列光學(xué)圖像。
研究團(tuán)隊首先在鍺襯底上通過化學(xué)氣相沉積外延生長了晶圓級單晶單層石墨烯，隨后將單晶硅膜精確堆疊于石墨烯之上，構(gòu)筑了高質(zhì)量的硅-石墨烯-鍺垂直異質(zhì)結(jié)構(gòu)。
該結(jié)構(gòu)的核心機(jī)制在于：利用石墨烯與硅、鍺界面處形成的不對稱肖特基勢壘，并結(jié)合石墨烯的量子電容效應(yīng)進(jìn)行功函數(shù)調(diào)控，使得鍺端電流的變化幅度遠(yuǎn)大于硅端，從而產(chǎn)生了高達(dá)1.8×10?的共射極電流增益——這是目前已報道晶體管中的最高紀(jì)錄。
圖2. 勢壘晶體管機(jī)制和直流特性。a. 不對稱肖特基勢壘能帶圖；b. 器件輸入特性；c. 器件轉(zhuǎn)移特性；d. 電流增益隨柵壓的變化；e. 器件增益統(tǒng)計分析；f. 與其他材料體系晶體管的增益對標(biāo)。
在高頻性能方面，該晶體管實現(xiàn)了132 GHz的本征截止頻率（fT），超越了此前所有垂直二維基區(qū)晶體管的最高水平。
圖3. 勢壘晶體管射頻特性。a. 不同偏壓下增益H21頻率特性；b. 電流增益截止頻率與偏壓關(guān)系；c. 截止頻率的溫度依賴性；d. 不同鍺摻雜濃度下截止頻率分布；e. 不同器件面積的截止頻率統(tǒng)計；f. 與其他垂直二維基區(qū)晶體管的射頻性能對標(biāo)。
這一實測數(shù)據(jù)標(biāo)志著該類器件首次從實驗室原理驗證走向射頻工程化測試，為勢壘晶體管在射頻與太赫茲通信領(lǐng)域的實際應(yīng)用奠定了關(guān)鍵基礎(chǔ)。
優(yōu)化后有望突破1THz，進(jìn)入太赫茲頻段
進(jìn)一步的器件建模與仿真分析表明，通過優(yōu)化材料摻雜濃度、降低接觸電阻及縮減寄生效應(yīng)，該器件的理論工作頻率有望突破1 THz，正式進(jìn)入太赫茲應(yīng)用頻段。
太赫茲頻段（0.1-10THz）被視為6G通信、超高分辨率成像、無損檢測、深空通信等前沿領(lǐng)域的"黃金頻段"。一旦晶體管工作頻率突破1THz，將為未來物聯(lián)網(wǎng)與6G傳感系統(tǒng)的超高速信號處理提供全新的技術(shù)路徑。
圖4. 硅-石墨烯-鍺勢壘晶體管的緊湊物理模型。a. 電容模型和能帶示意圖；b. 截止頻率隨偏壓的變化；c. 截止頻率隨摻雜濃度的變化；d. 截止頻率隨肖特基勢壘高度的變化。
應(yīng)用意義
該研究不僅為勢壘晶體管在射頻與太赫茲通信領(lǐng)域的應(yīng)用奠定了堅實基礎(chǔ)，也為未來物聯(lián)網(wǎng)、6G傳感系統(tǒng)及超高速信號處理開辟了全新的技術(shù)路徑。
從晶圓級石墨烯外延生長，到硅膜精確堆疊，再到射頻性能實測與理論建模，中國科研團(tuán)隊完成了一次從材料制備、器件架構(gòu)到性能驗證的全鏈條創(chuàng)新。在6G標(biāo)準(zhǔn)制定進(jìn)入關(guān)鍵窗口期的當(dāng)下，這一突破為我國在下一代通信核心器件領(lǐng)域搶占技術(shù)制高點提供了重要支撐。
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