新型晶体管研制成功刷新世界纪录

中国科学院金属研究所8日公布了一项重要突破：研究团队联合多家单位，成功研制出一种新型高频器件——硅-石墨烯-锗势垒晶体管。

这一研究的背景非常有意义。随着5G大规模部署以及6G技术的加速探索，通信系统对晶体管的运行速度提出了空前严格的要求。一个关键门槛在于：截止频率需要突破1太赫兹（THz）。然而，传统方案——包括高电子迁移率晶体管和异质结双极型晶体管——已逐渐难以胜任。根本问题在于，载流子在沟道或基区中的渡越时间成为了无法回避的物理瓶颈。

近年来，一种新思路逐渐受到学术界关注——垂直二维基区晶体管。这类器件采用石墨烯等二维材料作为基区，凭借其原子级厚度，大幅缩短了载流子的垂直渡越时间，在构建太赫兹晶体管方面展现出巨大潜力。然而，新的挑战也随之出现：量子隧穿势垒和界面缺陷引发了严重的载流子散射，制约了电流增益与高频性能。简而言之，如何克服这些界面瓶颈、实现高增益并提升截止频率，已成为核心研究难题。

正是为了攻克这一技术难题，金属所联合多家研究机构，创新性地提出了一种全新的器件架构——硅-石墨烯-锗势垒晶体管。相关成果已于近日发表于国际权威期刊《自然·通讯》，这标志着高频垂直二维基区晶体管研究取得了重大突破。

这是全球首款成功实现射频测试功能的势垒晶体管。研究团队首先在锗衬底上外延生长出晶圆级单晶单层石墨烯，随后将单晶硅膜精确堆叠上去，构建了高质量的硅-石墨烯-锗垂直异质结构。

图1.高频硅-石墨烯-锗晶体管器件结构。 a.外延石墨烯晶圆；b.器件截面示意图；c.器件结构展开图；d.扫描电子显微镜图像；e.器件阵列光学图像。

关键创新步骤在于：利用石墨烯与硅、锗界面所形成的不对称肖特基势垒，同时结合石墨烯的量子电容效应进行功函数调控，使锗端电流的变化幅度远大于硅端，从而实现了高达1.8 × 10⁷的共射极电流增益——这是截至目前所有已报道晶体管中的最高纪录。

图2.势垒晶体管机制和直流特性。 a.不对称肖特基势垒能带图；b.器件输入特性；c.器件转移特性；d.电流增益随栅压的变化；e.器件增益统计分析；f.与其他材料体系晶体管的增益对标。

在高频性能方面，该晶体管同样表现出色。其本征截止频率达到了132 GHz，一举打破了此前所有垂直二维基区晶体管的最高纪录。这无疑是一项里程碑式的突破。

图3.势垒晶体管射频特性。 a.不同偏压下增益H21频率特性；b.电流增益截止频率与偏压关系；c.截止频率的温度依赖性；d.不同锗掺杂浓度下截止频率分布；e.不同器件面积的截止频率统计；f.与其他垂直二维基区晶体管的射频性能对标。

更为重要的是，后续的器件建模与仿真分析揭示了一个令人振奋的前景：通过优化材料掺杂浓度、降低接触电阻、减小寄生效应，该器件的理论工作频率有望突破1 THz，从而真正迈入太赫兹应用频段。

图4.硅-石墨烯-锗势垒晶体管的紧凑物理模型。 a.电容模型和能带示意图；b.截止频率随偏压的变化；c.截止频率随掺杂浓度的变化；d.截止频率随肖特基势垒高度的变化。

从基础研究到器件原型，该项研究为太赫兹通信与下一代传感器系统奠定了坚实的器件基础，同时也为未来超高速信号处理提供了一条全新的技术路径。可以预见，这将成为通往6G时代的关键拼图。