碳基射频电子器件研究进展
发布时间：2021-01-07 21:36
以三维体材料金刚石、二维材料石墨烯和准一维材料碳纳米管为代表的碳基电子材料,分别拥有超宽禁带、超高载流子迁移率、优异的导热性能和机械特性,以及独特的低维结构带来的各种量子效应,在射频大功率、高线性、太赫兹以及光电混频等器件领域,具有技术提升的巨大潜力。分别介绍了这三种典型碳基材料的基本电学特性,聚焦金刚石微波功率器件、石墨烯高频器件和电路以及碳纳米管高线性器件和电路,分析了从材料至器件层面的优势和挑战,并展望了碳基材料成为下一代半导体功能材料的前景。
【文章来源】：固体电子学研究与进展. 2020,40(02)北大核心
【文章页数】：11 页
【部分图文】：
自对准工艺方案示意图；（b）本征及去嵌前fT;(c）本征及去嵌前fmax;(d)10个器件频率性能本征及去嵌对比
石墨烯作为一种二维材料，其具有良好的电学特性和光响应特性，除了射频和太赫兹器件以外，也非常适合电光调制器和光电探测器等光电子器件[31,34]。石墨烯对光的吸收谱范围非常广，覆盖了可见光和红外光，在300～2 500 nm波段范围内，吸收光谱平坦，器件的理论电学带宽只受限于其RC常数，理论带宽可高达500 GHz[33?34]。利用石墨烯优良的光电特性结合场效应晶体管的非线性效应，实现对射频信号的处理，近年来也成为了研究热点。2015年中科院半导体所毛旭瑞等发现石墨烯光电探测器的响应度在一定范围内随输入光功率线性变化，同时也随源漏偏压线性变化，利用这一特性创新性地利用石墨烯光电探测器构建了世界上第一支光电混频器[35]，仅使用一个石墨烯场效应晶体管实现了光信号与电信号的直接混频，无需额外的光电转换。他们建立了石墨烯光电混频器的两种工作电路模型，并实现了1 GHz到998 MHz的下变频，混频损耗为24 dB。
2012年，英国Glasgow大学在单晶金刚石同质外延衬底上研制了栅长50 nm的金刚石射频器件，将截止频率fT进一步提升到了53 GHz，但由于寄生栅阻较高，最高振荡频率fmax仅为27 GHz[7]。2018年，南京电子器件研究所采用0.1μm栅长T型栅腐蚀自对准技术结合低温原子层淀积（ALD）超薄Al2O3栅介质技术，研制出高频率特性的金刚石FET器件，器件饱和电流密度585 mA/mm，跨导高达206 mS/mm，截止频率fT突破70 GHz，最高振荡频率fmax达80 GHz，如图1所示[8]。近年来，随着金刚石射频器件性能的逐步提升，研究人员开始向更高工作频率进行探索。2018年，美国陆军实验研究室研究了采用自对准技术研制的金刚石射频器件在2 GHz频率下的功率输出特性，器件饱和电流密度600 mA/mm，输出功率密度达到了660 mW/mm[9]。2019年，河北半导体研究所也分别在多晶和单晶衬底上研制了金刚石射频器件，2 GHz下输出功率密度分别达到了745mW/mm和815 mW/mm[10?11]。2019年，南京电子器件研究所基于自对准技术研制出高频金刚石功率器件，进一步将工作频率提升到10 GHz，并获得了182 mW/mm的功率输出，如图2所示[12]。2020年，河北半导体研究所通过提高器件的击穿电压，将10 GHz频率下的输出功率密度提升到了650mW/mm[13]。
本文编号：2963280
【文章来源】：固体电子学研究与进展. 2020,40(02)北大核心
【文章页数】：11 页
【部分图文】：
自对准工艺方案示意图；（b）本征及去嵌前fT;(c）本征及去嵌前fmax;(d)10个器件频率性能本征及去嵌对比
石墨烯作为一种二维材料，其具有良好的电学特性和光响应特性，除了射频和太赫兹器件以外，也非常适合电光调制器和光电探测器等光电子器件[31,34]。石墨烯对光的吸收谱范围非常广，覆盖了可见光和红外光，在300～2 500 nm波段范围内，吸收光谱平坦，器件的理论电学带宽只受限于其RC常数，理论带宽可高达500 GHz[33?34]。利用石墨烯优良的光电特性结合场效应晶体管的非线性效应，实现对射频信号的处理，近年来也成为了研究热点。2015年中科院半导体所毛旭瑞等发现石墨烯光电探测器的响应度在一定范围内随输入光功率线性变化，同时也随源漏偏压线性变化，利用这一特性创新性地利用石墨烯光电探测器构建了世界上第一支光电混频器[35]，仅使用一个石墨烯场效应晶体管实现了光信号与电信号的直接混频，无需额外的光电转换。他们建立了石墨烯光电混频器的两种工作电路模型，并实现了1 GHz到998 MHz的下变频，混频损耗为24 dB。
2012年，英国Glasgow大学在单晶金刚石同质外延衬底上研制了栅长50 nm的金刚石射频器件，将截止频率fT进一步提升到了53 GHz，但由于寄生栅阻较高，最高振荡频率fmax仅为27 GHz[7]。2018年，南京电子器件研究所采用0.1μm栅长T型栅腐蚀自对准技术结合低温原子层淀积（ALD）超薄Al2O3栅介质技术，研制出高频率特性的金刚石FET器件，器件饱和电流密度585 mA/mm，跨导高达206 mS/mm，截止频率fT突破70 GHz，最高振荡频率fmax达80 GHz，如图1所示[8]。近年来，随着金刚石射频器件性能的逐步提升，研究人员开始向更高工作频率进行探索。2018年，美国陆军实验研究室研究了采用自对准技术研制的金刚石射频器件在2 GHz频率下的功率输出特性，器件饱和电流密度600 mA/mm，输出功率密度达到了660 mW/mm[9]。2019年，河北半导体研究所也分别在多晶和单晶衬底上研制了金刚石射频器件，2 GHz下输出功率密度分别达到了745mW/mm和815 mW/mm[10?11]。2019年，南京电子器件研究所基于自对准技术研制出高频金刚石功率器件，进一步将工作频率提升到10 GHz，并获得了182 mW/mm的功率输出，如图2所示[12]。2020年，河北半导体研究所通过提高器件的击穿电压，将10 GHz频率下的输出功率密度提升到了650mW/mm[13]。
本文编号：2963280
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