記者從中國科學院金屬研究所沈陽材料科學國家研究中心獲悉，該中心先進炭材料研究部科研人員首次制備出以肖特基結作為發(fā)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(qū)晶體管的延遲時間縮短了1000倍以上，并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(fā)表。

1947年，第一個雙極結型晶體管(BJT)誕生于貝爾實驗室，引領了人類社會進入信息技術的新時代。過去的幾十年里，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，這些器件便遭遇到瓶頸：HBT的截止頻率最終被基區(qū)渡越時間所限制，而HET則受限于無孔、低阻的超薄金屬基區(qū)的制備難題。

近年來，石墨烯作為性能優(yōu)異的二維材料備受關注，人們提出將石墨烯作為基區(qū)材料制備晶體管，其原子級厚度將消除基區(qū)渡越時間的限制，同時其超高的載流子遷移率也有助于實現(xiàn)高質量的低阻基區(qū)。

“目前已報道的石墨烯基區(qū)晶體管普遍采用隧穿發(fā)射結，然而隧穿發(fā)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(fā)展前景。”該研究團隊負責人表示。他們通過半導體薄膜和石墨烯轉移工藝，首次制備出以肖特基結作為發(fā)射結的垂直結構的硅—石墨烯—鍺晶體管。

該研究人員表示，與已報道的隧穿發(fā)射結相比，硅—石墨烯肖特基結表現(xiàn)出目前最大的開態(tài)電流和最小的發(fā)射結電容，從而得到最短的發(fā)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。

據(jù)悉，我國科研人員同時對器件的各種物理現(xiàn)象進行了分析，并基于實驗數(shù)據(jù)建模發(fā)現(xiàn)了該器件具有工作于太赫茲領域的潛力，這將極大提升石墨烯基區(qū)晶體管的性能，為未來最終實現(xiàn)超高速晶體管奠定了基礎。