中国半导体十大研究进展候选推荐（2021-009）——基于阵列碳纳米管的射频晶体管

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工作简介

         ——基于阵列碳纳米管的射频晶体管

通信技术的发展极大推动了业内对更高工作频率和更宽带宽器件的需求。近年来，5G和6G通信技术的发展需要将器件的工作频率提升到90 GHz以上的频段；另外，半导体行业的发展也亟需高工作频率和高集成度的芯片。当前最常用的两类射频器件是硅基CMOS技术（互补金属氧化物半导体）和III-V族化合物半导体技术（主要是GaAs，InP等）。硅基CMOS技术能够以低成本实现高集成度，但在20 GHz以上的频率，它们的线性度和噪声性能较差。基于III-V族化合物的器件可用于构建工作频率超过20 GHz的系统，但不能直接与同一芯片上的数字系统集成。理想的通用半导体射频芯片应当兼具高工作频率和高集成度，既可用于设计射频/模拟电路，实现通信和雷达应用，又可用于数字集成电路，实现信息处理目的。因此，需要新的原理、新的材料、新的器件结构架构来推动通信技术的进一步发展。

半导体碳纳米管具有超高载流子迁移率和饱和速度、优异的本征线性度等电学特征，并且本征尺寸小、化学稳定性高、导热性好、机械强度高，在数字集成电路和射频电路领域都具有巨大潜力，具备构建射频/数字电路SOC系统集成平台的优势，有望为未来6G通信技术提供理想的核心芯片技术。

北京大学电子系碳基电子学研究中心、纳米器件物理与化学教育部重点实验室丁力副研究员-张志勇教授-彭练矛教授联合课题组通过改进提纯和双液相自组装沉积方法，制备了适合射频应用的半导体阵列碳纳米管材料，并在此基础上首次实现了有望在太赫兹频段工作的射频晶体管和高性能放大器，充分展现了碳管在射频电子学上的优势和潜力。联合课题组针对射频的大规模应用优化了材料制备，采用烷基链较少的PCO-Bpy分子经两次分散提纯和双液相自组装沉积工艺，在4英寸晶圆上实现了高半导体型纯度（>99.99%）、高取向和高密度（100~120根/微米）的碳管阵列的制备，载流子迁移率最高达1580 cm² V^-1 s^-1(见图1）。课题组在全绝缘的石英衬底上制备了阵列碳纳米管射频晶体管，其中50 nm栅长器件的实测截止频率（f_T,EXT）和功率增益截止频率（f_MAX,EXT）分别达到了186 GHz和158 GHz，是所有基于纳米材料晶体管的最高值（见图2）。高阻硅衬底的晶体管展示出最高达1.9 mA/µm的开态电流和1.4 mS/µm的跨导（V_ds=-0.9V时，见图3），50 nm栅长射频晶体管的本征截止频率（f_T,INT）和功率增益截止频率（f_MAX,INT）分别为540 GHz和306 GHz，这表明碳基射频器件首次进入到了太赫兹频段（见图4）。课题组进一步探索了碳基射频晶体管在射频放大器中的应用潜力，通过采用多指栅结构提升碳基晶体管的负载驱动能力，实现了碳基放大器在功率增益和线性度上的提升，首次在18 GHz（K波段）实现了高达23.2 dB的增益，线性度测试中实现了> 9 dBm的1 dB压缩点输出功率和OIP3=31.2 dBm的三阶交调特性，对应的OIP3/Pdc为19.7 dB@18 GHz（见图5），各项关键指标均远高于之前美国南加州大学报道的最好碳基放大器。

该工作首次将碳纳米管射频器件的工作带宽提升到太赫兹领域，真正展示了碳纳米管器件的高速和高带宽优势。2021年6月21日，相关研究成果以“基于阵列碳纳米管的射频晶体管”（Radiofrequency transistors based on aligned carbon nanotube arrays）为题，在线发表于《自然·电子学》（Nature Electronics），并被主编选为封面文章（见图6）。研究得到国家重点研发计划“纳米科技”重点专项和北京市科技计划等资助。

图1 阵列碳纳米管的制备与表征

图2 石英基底上阵列碳纳米管晶体管的结构与射频性能

图3 高阻硅基底上阵列碳纳米管晶体管直流性能与对比

图4 高阻硅基底上阵列碳纳米管晶体管射频性能

图5 碳纳米管射频放大器

图6《自然·电子学》（Nature Electronics）封面文章

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作者简介

第一作者

丁力，北京大学电子系副研究员。

主要针对碳纳米管电子学中的一系列重要问题进行系统深入的研究，解决碳管器件和集成电路制备中的多项技术难点，重点突破了碳纳米管的n型接触问题；利用碳纳米管无掺杂CMOS技术制备高性能碳纳米管集成电路；研发具备THz应用潜力的射频晶体管，并实现碳管GHz频段无线传感界面系统展示等。在该领域Nature Electronics、Nature Communications等顶级期刊上发表SCI论文35篇，SCI他引约1400余次，h因子为22，单篇最高引用为126次。研究工作被Nature，Chemical Review等顶级刊物和综述正面引用；并且被ITRS（International Technology Roadmap forSemiconductors）写入2011版和2013版的ERD（Emerging Research Devices）和ERM（Emerging Research Materials）报告。部分成果获得2016年国家自然科学二等奖（排名第三），2013年教育部自然科学一等奖（排名第五），2019年电子信息领域优秀科技论文。获得2012年全国优秀博士论文提名奖和2011年北京市百篇优博奖。

通讯作者

张志勇，北京大学电子系教授，纳米器件物理与化学教育部重点实验室主任，北京大学碳基电子学研究中心副主任，电子系副主任。

主要从事碳基纳米电子学方面的研究，探索基于碳纳米管的CMOS集成电路、传感器和其他新型信息器件技术，并推进碳基信息器件技术的实用化发展。在Science, Nature electronics等学术期刊上发表SCI论文170余篇， SCI他引8000余次，H因子45。部分工作获得中国高校十大科技进展、国家自然科学二等奖、中国科学十大进展。曾入选国家万人计划-科技创新领军人才、万人计划-青年拔尖人才计划、国家基金委优秀青年科学基金。获得中国青年科技奖、茅以升北京青年科技奖。主持包括国家重点研发计划“纳米科技”重点专项课题等8项国家级、5项省部级项目。

通讯作者

彭练矛，北京大学电子系教授，中国科学院院士，北京大学电子系主任、北京碳基集成电路研究院院长，《先进功能材料》杂志顾问委员会成员，英国物理学会Fellow，北京市政协委员，上海证券交易所科技创新咨询委员会委员。

主要研究领域为碳基纳米电子学。在碳基电子器件相关材料和制备工艺的研究中做出了基础和开拓性的贡献。在Science, Nature Photonics等国际学术刊物上发表SCI收录论文400余篇，第一作者英文专著1部（High-Energy Electron Diffraction and Microscopy，牛津大学出版社），论文被引用20000余次。

获首届国家杰出青年科学基金资助。1999年被北京大学聘为教育部首批“长江学者奖励计划”特聘教授，2019年当选为中国科学院院士。从2001年起先后4次任国家“973”计划项目、国家重大科学研究计划项目、国家重点研发计划项目首席科学家，从2013年开始2次担任国家自然科学基金委员会创新研究群体负责人。项目“亚纳米碳管的稳定性研究”被选为年度中国高等学校十大科技进展（2000），入选中国基础科学研究十大新闻（2000）；“定量电子显微学方法与氧化钛纳米结构研究”获国家自然科学奖二等奖（2010）；“实现碳纳米管的高效光伏倍增效应”入选年度中国科学十大进展（2011）；“高性能碳基纳米电子器件”获高等学校科学研究优秀成果奖（科学技术）自然科学一等奖（2013）；“碳基纳米电子器件及集成”获国家自然科学奖二等奖（2016）。2009年获“全国优秀博士学位论文指导教师”称号；2013年被评为北京大学首届“十佳导师”；2015年荣获第四届首都科技盛典—推动“北京创造”的十大科技人物称号；“ 5纳米碳纳米管CMOS器件”项目被选为2017年中国高校十大科技进展。2017年获首届全国创新争先奖；2018年入选人民论坛主持评选的“优秀海归人物100人”，2018年获第三届北京市华侨华人“京华奖”，2018年获得“何梁何利基金科学与技术进步奖”。

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原文传递

详情请查看论文链接：https://www.nature.com/articles/s41928-021-00594-w

《半导体学报》简介：

《半导体学报》是中国科学院主管、中国电子学会和中国科学院半导体研究所主办的学术刊物，1980年创刊，首任主编是王守武院士，黄昆先生撰写了创刊号首篇论文，2009年改为全英文刊Journal of Semiconductors（简称JOS），同年开始与IOPP英国物理学会出版社合作向全球发行。现任主编是中科院副院长、国科大校长李树深院士。2019年，JOS入选“中国科技期刊卓越行动计划”。2020年，JOS被EI收录。

“中国半导体十大研究进展”推荐与评选工作简介：

《半导体学报》在创刊四十年之际，启动实施 “中国半导体年度十大研究进展”的推荐和评选工作，记录我国半导体科学与技术研究领域的标志性成果。以我国科研院所、高校和企业等机构为第一署名单位，本年度公开发表的半导体领域研究成果均可参与评选。请推荐人或自荐人将研究成果的PDF文件发送至《半导体学报》电子邮箱：[e-mail]，并附简要推荐理由。被推荐人须提供500字左右工作简介，阐述研究成果的学术价值和应用前景。年度十大研究进展将由评审专家委员会从候选推荐成果中投票产生，并于下一年度春节前公布。

JOSarXiv预发布平台简介：

半导体科技发展迅猛，科技论文产出数量逐年增加。JOSarXiv致力于为国内外半导体领域科研人员提供中英文科技论文免费发布和获取的平台，保障优秀科研成果首发权的认定，促进更大范围的学术交流。JOSarXiv由《半导体学报》主编李树深院士倡导建立，编辑部负责运行和管理，是国内外第一个专属半导体科技领域的论文预发布平台，提供预印本论文存缴、检索、发布和交流共享服务。

JOSarXiv于2020年1月1日正式上线（http://arxiv.jos.ac.cn/），通过《半导体学报》官网（http://www.jos.ac.cn/）亦可访问。敬请关注和投稿！

文章来源“半导体学报”公众号

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