以三維體材料金剛石、二維材料石墨烯和準(zhǔn)一維材料碳納米管為代表的碳基電子材料,分別擁有超寬禁帶、超高載流子遷移率、優(yōu)異的導(dǎo)熱性能和機(jī)械特性,以及獨(dú)特的低維結(jié)構(gòu)帶來的各種量子效應(yīng),在射頻大功率、高線性、太赫茲以及光電混頻等器件領(lǐng)域,具有技術(shù)提升的巨大潛力。分別介紹了這三種典型碳基材料的基本電學(xué)特性,聚焦金剛石微波功率器件、石墨烯高頻器件和電路以及碳納米管高線性器件和電路,分析了從材料至器件層面的優(yōu)勢和挑戰(zhàn),并展望了碳基材料成為下一代半導(dǎo)體功能材料的前景。 

【文章來源】：固體電子學(xué)研究與進(jìn)展. 2020,40(02)北大核心

【文章頁數(shù)】：11 頁

【部分圖文】：

自對準(zhǔn)工藝方案示意圖；（b）本征及去嵌前fT;(c）本征及去嵌前fmax;(d)10個器件頻率性能本征及去嵌對比

石墨烯作為一種二維材料，其具有良好的電學(xué)特性和光響應(yīng)特性，除了射頻和太赫茲器件以外，也非常適合電光調(diào)制器和光電探測器等光電子器件[31,34]。石墨烯對光的吸收譜范圍非常廣，覆蓋了可見光和紅外光，在300～2 500 nm波段范圍內(nèi)，吸收光譜平坦，器件的理論電學(xué)帶寬只受限于其RC常數(shù)，理論帶寬可高達(dá)500 GHz[33?34]。利用石墨烯優(yōu)良的光電特性結(jié)合場效應(yīng)晶體管的非線性效應(yīng)，實現(xiàn)對射頻信號的處理，近年來也成為了研究熱點(diǎn)。2015年中科院半導(dǎo)體所毛旭瑞等發(fā)現(xiàn)石墨烯光電探測器的響應(yīng)度在一定范圍內(nèi)隨輸入光功率線性變化，同時也隨源漏偏壓線性變化，利用這一特性創(chuàng)新性地利用石墨烯光電探測器構(gòu)建了世界上第一支光電混頻器[35]，僅使用一個石墨烯場效應(yīng)晶體管實現(xiàn)了光信號與電信號的直接混頻，無需額外的光電轉(zhuǎn)換。他們建立了石墨烯光電混頻器的兩種工作電路模型，并實現(xiàn)了1 GHz到998 MHz的下變頻，混頻損耗為24 dB。

2012年，英國Glasgow大學(xué)在單晶金剛石同質(zhì)外延襯底上研制了柵長50 nm的金剛石射頻器件，將截止頻率fT進(jìn)一步提升到了53 GHz，但由于寄生柵阻較高，最高振蕩頻率fmax僅為27 GHz[7]。2018年，南京電子器件研究所采用0.1μm柵長T型柵腐蝕自對準(zhǔn)技術(shù)結(jié)合低溫原子層淀積（ALD）超薄Al2O3柵介質(zhì)技術(shù)，研制出高頻率特性的金剛石FET器件，器件飽和電流密度585 mA/mm，跨導(dǎo)高達(dá)206 mS/mm，截止頻率fT突破70 GHz，最高振蕩頻率fmax達(dá)80 GHz，如圖1所示[8]。近年來，隨著金剛石射頻器件性能的逐步提升，研究人員開始向更高工作頻率進(jìn)行探索。2018年，美國陸軍實驗研究室研究了采用自對準(zhǔn)技術(shù)研制的金剛石射頻器件在2 GHz頻率下的功率輸出特性，器件飽和電流密度600 mA/mm，輸出功率密度達(dá)到了660 mW/mm[9]。2019年，河北半導(dǎo)體研究所也分別在多晶和單晶襯底上研制了金剛石射頻器件，2 GHz下輸出功率密度分別達(dá)到了745mW/mm和815 mW/mm[10?11]。2019年，南京電子器件研究所基于自對準(zhǔn)技術(shù)研制出高頻金剛石功率器件，進(jìn)一步將工作頻率提升到10 GHz，并獲得了182 mW/mm的功率輸出，如圖2所示[12]。2020年，河北半導(dǎo)體研究所通過提高器件的擊穿電壓，將10 GHz頻率下的輸出功率密度提升到了650mW/mm[13]。


本文編號：2963280