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联合多家单位成功研制硅-石墨烯-锗势垒晶体管，实现1.8×10⁷的共射极电流增益和132GHz本征截止频率，均刷新世界纪录。该器件有望通过优化突破1THz，为太赫兹通信与6G技术奠定基础。
中国科学院金属研究所8日发布了一项新进展：研究团队联合多家单位，成功发明了一种新型高频器件——硅-石墨烯-锗势垒晶体管。
这件事的背景很有意思。随着5G的规模部署和6G技术的探索，通信系统对晶体管的运行速度提出了前所未有的要求。一个关键门槛是：截止频率需要突破1太赫兹（THz）。但要满足这一要求，传统的方案——包括高电子迁移率晶体管和异质结双极型晶体管——已经显得有些力不从心。问题出在哪儿？载流子在沟道或基区中的渡越时间，成了绕不开的物理瓶颈。
近年来，一种新思路开始受到关注——垂直二维基区晶体管。这类器件用石墨烯等二维材料作为基区，利用其原子级厚度，大大缩短了载流子的垂直渡越时间，在构筑太赫兹晶体管方面很有潜力。然而，问题也随之而来。量子隧穿势垒和界面缺陷会导致严重的载流子散射，限制了电流增益和高频性能。说白了，如何克服这些界面瓶颈，实现高增益并提升截止频率，就成了核心挑战。
正是为了攻克这一难题，金属所联合多家单位，创新性地提出了一种新的器件架构——硅-石墨烯-锗势垒晶体管。相关成果近日发表在《自然·通讯》上，这标志着高频垂直二维基区晶体管研究取得了一项重大突破。
这是国际上首款成功实现射频测试功能的势垒晶体管。研究团队先在锗衬底上外延生长了晶圆级单晶单层石墨烯，然后将单晶硅膜精确堆叠上去，构筑了高质量的硅-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。
关键一步在于：利用石墨烯与硅、锗界面形成的不对称肖特基势垒，并结合石墨烯的量子电容效应进行功函数调控，使得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。
在高频性能上，这款晶体管同样表现亮眼。它实现了132 GHz的本征截止频率，一举超越此前所有垂直二维基区晶体管的最高纪录。这无疑是一个里程碑式的进展。
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。
更重要的是，后续的器件建模与仿真分析提示了一个让人兴奋的前景：通过优化材料掺杂浓度、降低接触电阻、缩减寄生效应，这款器件的理论工作频率有望突破1 THz，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，这项研究为太赫兹通信和下一代传感器系统奠定了坚实的器件基础，也为未来的超高速信号处理提供了全新的技术路径。可以预见，这是通往6G时代的一块重要拼图。
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