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石墨烯再“立功”!中國科學家成功研製高速晶體管

中國青年報客戶端北京11月10日電(中國青年報·中國青年網記者 邱晨輝)記者今天從中國科學院金屬研究所獲悉,該所沈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“矽-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提升至吉赫茲領域。相關成果已於近日在線發表於國際學術期刊《自然?通訊》。

據該成果論文的通訊作者、中科院金屬所研究員孫東明介紹,這一研究工作提升了石墨烯基區晶體管的性能,未來將有望在太赫茲領域的高速器件中應用,為最終實現超高速晶體管奠定了基礎。

(矽-石墨烯-鍺晶體管相關器件示意圖)

  1947年,第一個雙極結型晶體管誕生於美國貝爾實驗室,引領人類社會進入信息技術的新篇章。在過去的幾十年裏,提高雙極結型晶體管的工作頻率,成為科學界的不懈追求,異質結雙極型晶體管和熱電子晶體管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。異質結雙極型晶體管的截止頻率,最終被基區渡越時間所限製,而熱電子晶體管的發展,則受限於無孔、低阻的超薄金屬基區的製備難題。

石墨烯,這個性能優異的二維材料,近年來倍受關注。科學界提出將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製,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。

“目前已報道的石墨烯基區晶體管,普遍采用隧穿發射結,然而隧穿發射結的勢壘高度,嚴重限製了該晶體管作為高速電子器件的發展前景。”此次成果論文的第一作者、中科院金屬所副研究員劉馳表示,科研人員提出了半導體薄膜和石墨烯轉移工藝,首次製備出如今這一成果。

據劉馳介紹,與已報道的隧穿發射結相比,矽-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,可將器件的截止頻率由約1.0兆赫茲提升至1.2吉赫茲。劉馳說,通過基於實驗數據的建模,科研人員進一步發現,該器件具備工作於太赫茲領域的潛力,而這對於未來的晶體管研製具有十分重要的意義。(教育科學部編輯)

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