10月25日，金屬所沈陽材料科學(xué)國家研究中心先進(jìn)炭材料研究部科研人員在《自然·通訊》（Nature Communications）上在線發(fā)表了題為“垂直結(jié)構(gòu)的硅-石墨烯-鍺晶體管”（A vertical silicon-graphene-germanium transistor）的研究論文?？蒲腥藛T首次制備出以肖特基結(jié)作為發(fā)射結(jié)的垂直結(jié)構(gòu)的硅-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，可將其截止頻率由兆赫茲（MHz）提升至吉赫茲（GHz）領(lǐng)域，并在未來有望實(shí)現(xiàn)工作于太赫茲（THz）領(lǐng)域的高速器件。

1947年，第一個雙極結(jié)型晶體管（BJT）誕生于貝爾實(shí)驗室，標(biāo)志著人類社會進(jìn)入了信息技術(shù)的新時代。在過去的幾十年里，提高BJT的工作頻率一直是人們不懈的追求，異質(zhì)結(jié)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(dāng)需要進(jìn)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(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。石墨烯是一種近年來被廣泛研究且性能優(yōu)異的二維材料，人們提出使用石墨烯作為基區(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(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的低阻基區(qū)。已報道的石墨烯基區(qū)晶體管普遍采用隧穿發(fā)射結(jié)，然而隧穿發(fā)射結(jié)的勢壘高度嚴(yán)重限制了該晶體管作為高速電子器件的發(fā)展前景。

目前，金屬所科研人員提出半導(dǎo)體薄膜和石墨烯轉(zhuǎn)移工藝，首次制備出以肖特基結(jié)作為發(fā)射結(jié)的垂直結(jié)構(gòu)的硅-石墨烯-鍺晶體管（圖1）。與已報道的隧穿發(fā)射結(jié)相比，硅-石墨烯肖特基結(jié)表現(xiàn)出目前最大的開態(tài)電流（692 A cm-2 @ 5V）和最小的發(fā)射結(jié)電容（41 nF cm-2），從而得到最短的發(fā)射結(jié)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(shí)現(xiàn)共基極增益接近于1且功率增益大于1的晶體管（圖3）?？蒲腥藛T同時對器件的各種物理現(xiàn)象進(jìn)行了分析（圖4）。通過基于實(shí)驗數(shù)據(jù)的建模，科研人員發(fā)現(xiàn)該器件具備了工作于太赫茲領(lǐng)域的潛力。

該項研究工作極大地提升了石墨烯基區(qū)晶體管的性能，為未來最終實(shí)現(xiàn)超高速晶體管奠定了基礎(chǔ)。

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(shè)計構(gòu)思，劉馳副研究員開展了器件制備、電學(xué)測量和數(shù)據(jù)分析工作，任文才研究員和博士生馬偉實(shí)現(xiàn)了石墨烯的生長和轉(zhuǎn)移，博士生陳茂林進(jìn)行了電子顯微鏡等方面的表征研究。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(xué)基金、中國科學(xué)院、金屬所、沈陽材料科學(xué)國家研究中心、青年千人計劃和國家重點(diǎn)研發(fā)計劃等項目資助。

圖1 硅-石墨烯-鍺晶體管的設(shè)計和制備。a. 器件的制備流程。b-d. 器件的光學(xué)、SEM和截面示意圖。e. 器件原理示意圖。

圖2 硅-石墨烯發(fā)射結(jié)性能。a. 發(fā)射結(jié)IV曲線。 b. 漏電流和溫度的依賴關(guān)系。c. 與隧穿發(fā)射結(jié)的開態(tài)電流的對比。 d. 與隧穿發(fā)射結(jié)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(fā)射結(jié)和石墨烯-鍺集電結(jié)IV曲線、輸入（Ie-Ve）和轉(zhuǎn)移（Ic-Ve）特性曲線、共基極增益α、輸出特性（Ic-Vc）曲線。e-h. 使用重?fù)诫sGe襯底時的相應(yīng)曲線。

圖4 考慮石墨烯量子電容效應(yīng)時晶體管的能帶示意圖。a. 無偏壓。b. 發(fā)射結(jié)正偏。c. 集電結(jié)反偏。相關(guān)物理現(xiàn)象及應(yīng)用研究介紹詳見論文補(bǔ)充材料。

來源： 中國科學(xué)院金屬研究所 
編輯：chemical中文編輯部Annie