研究人員打造基於高純度CNT陣列的RF電晶體

作者 : 北京大學

北京大學的研究人員發表一種可同時實現高密度、準直、晶圓級且高純度的半導體CNT新方法,能夠滿足實現大規模數位或RF晶片的關鍵要求。這種基於CNT陣列的FET能夠表現出高達THz的頻率範圍、更優越的功率增益和固有線性等高性能…

下一代無線通訊技術需要能夠在90GHz以上頻率運行的整合射頻(RF)元件。目前最廣泛用於製造RF元件的兩種半導體是矽互補金屬氧化物半導體(CMOS)場效電晶體(FET)和基於III-V族化合物半導體(特別是GaAs)的電晶體。

然而,這兩種半導體RF技術都無法同時滿足高工作頻率,以及易於整合到無線通訊技術的要求。

半導體單壁碳納米管(CNT)由於具有較高的載子遷移率和飽和速度、超小型的本徵電容、優越的穩定度和導熱性,被認為是一種具有前景的備選材料,可望實現高達太赫茲(THz)頻率的高速FET。由於其獨特的傳輸特性和密度,預計將為電晶體實現原生的高線性度。此外,無論是用於RF/類比還是數位元件的CNT材料,其要求基本上都是相同的。

北京大學電子學系、碳基集成電路研究院張志勇、彭練矛團隊在在最近一期的《自然》(Nature )期刊發表「基於準直碳奈米管陣列的RF電晶體」(Radiofrequency transistors based on aligned carbon nanotube arrays)論文,介紹其基於高純度碳奈米管陣列的RF電晶體研究,以及如何使用雙分散和2位元液體介面限制自組裝(BLIS)程序的新方法製造電晶體陣列。

彭練矛指出,「相較於基於矽和III-V族化合物半導體技術,CNT FET可以為SoC應用提供更好的性能。然而,CNT FET的速度和增益仍然落後於理論預測。」

迄今為止,基於CNT的FET速度一直受到限制且不能令人滿意,這主要是由於缺乏具有合適密度、較高均勻度、純度和載子遷移率的準直半導體CNT陣列。為了克服這些挑戰並開發高性能的CNT RF元件,研究人員決定調整CNT材料的結構。

為了製造其RF電晶體,研究人員們主要使用兩種製程,即電子束微影(EBL)和原子層沉積(ALD)。然後,再用其他奈米製造元件透過所謂的自上而下剝離製程完成元件中每個功能層的製備。

彭練矛說:「我們採用一種基於雙分散和2位元液體介面限制自組裝(BLIS)程序的新方法,取得了用於RF應用的CNT陣列,並實現了基於CNT陣列的高性能RF元件和放大器製造。這項研究的主要目標在於以實驗環境探索基於CNT陣列的電晶體和放大器之上限頻率、功率增益以及可能的線性性能。」

經過徹底的表徵,研究人員並發現,在該研究中的CNT陣列在密度和載子遷移率方面更優於現有其他CNT陣列研究表現:其CNT陣列的密度約為每微米120個CNT,載子遷移率為1,580cm 2 V-1 s-1,飽和速度高達3.0×10 7 cm s -1,可說是建構高速RF電晶體最具前景的CNT材料系統。

1製備準直的半導體CNT陣列。(ab) 示意圖說明2位元液體介面限制自組裝(BLIS)程序。(cd)光學影像顯示沉積的4英吋石英晶片(c)和方形玻璃基板(d)(e) 則是顯示在矽基板沉積CNT陣列的SEM像。f是來自這項研究和其他報導的CNT陣列之CNT陣列基準密度與載子遷移率。(圖片來源:Nature.com)

研究人員並期望其CNT RF元件的速度、放大和線性潛力能夠在實驗中進一步證實。

值得注意的是,這組研究人員開發CNT RF電晶體屬於MOS FET類別。換句話說,支撐其運行的機制類似於啟用MOSFET的機制。據彭練矛解釋,「RF電晶體是一個三端元件,由閘極節點、源極節點和漏極節點組成。閘極節點控制源極和漏極節點之間的導電通道。」

為了能夠放大RF訊號,研究人員製造的電晶體有賴於FET元件的跨導放大,且其運行速度取決於載體在元件通道中的傳輸速度。

研究人員解釋,其電晶體的主要優勢可以概括為三個要點。「首先,基於高密度半導體CNT陣列的元件顯示出強大的導通驅動能力,導致大跨導和大電流,從而帶來強大的RF訊號放大能力。其次,該CNT陣列表現出高載子飽和速度和高遷移率,對應於高電流增益截止頻率(fT)和功率增益截止頻率(fMAX)。」

2:基於準直半導體CNT陣列的RF電晶體和放大器。(a) 在該研究中的CNT FET與其他 CNT和石墨烯電晶體之間的固有fTLg基準測試。(b) 該研究中與其他研究的CNT/石墨烯電晶體之固有fTfMAX的比較。(c) 單音測試的輸出功率與輸入功率曲線。(d) 線性測試的輸出功率與輸入功率曲線。(圖片來源:Nature.com)

在初步評估中,研究人員創建的CNT陣列被發現具有出色的質量,並表現出很高的固有線性性能。值得注意的是,這項研究首次將基於CNT的RF FET固有頻率性能推至THz範圍。

儘管長期以來理論上預測CNT FET具有Thz的潛力,但這項研究的結果是最接近此論據的實驗證明。此外,研究人員表示,「在相似的閘極長度和相同的去嵌入條件下,CNT FET元件表現出較矽基元件更高的截止頻率。」

研究人員由於使用這些CNT陣列,成功製造出在毫米波(mmWave)和THz頻率下工作時實現高直流性能的FET。研究人員表示,「我們計劃實現在Thz範圍內運行的CNT放大器應用。透過將其與基於CNT的高性能數位CMOS IC整合,期望將基於CNT陣列的高速電子元件應用於以mmWave甚至Thz頻率運行的 SoC 應用。」

這項研究的結果顯示,基於CNT的元件RF速度可以達到理論預測的理想水平。未來,研究人員期望最佳化其成份和結構,進一步提高CNT RF電晶體的性能。

本文原刊登於EDN China網站,夏菲編譯

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