碳基射頻電子器件的研究進展

引言：6G時代呼喚新型半導(dǎo)體材料

隨著6G時代的到來，現(xiàn)代通信技術(shù)對半導(dǎo)體射頻器件提出了更為嚴苛的要求：

更低延時：信息傳輸速度需達到前所未有的高度。

更大功率：支持更遠距離、更高速率的數(shù)據(jù)傳輸。

更高速度：滿足海量數(shù)據(jù)傳輸需求。

更大帶寬：容納更多設(shè)備同時接入網(wǎng)絡(luò)。

然而，傳統(tǒng)硅基器件受限于材料本征特性，難以滿足上述需求：

載流子遷移率有限：難以實現(xiàn)更高的頻率和更快的開關(guān)速度。

擊穿電壓不足：難以在高功率應(yīng)用中保持穩(wěn)定。

集成度提升困難：難以實現(xiàn)更小尺寸、更低功耗的器件。

材料和器件示意圖: (a) 單晶金剛石襯底和金剛石 MOSFET 結(jié)構(gòu)圖; (b) 單層及多層石墨烯光學(xué)圖和石墨烯 MOS‐FET 結(jié)構(gòu)圖; (c) 陣列碳納米管 101.6 mm（4 英寸）晶圓材料和碳納米管 MOSFET 結(jié)構(gòu)圖圖源：論文

碳基材料：后摩爾時代的希望之光

為了突破傳統(tǒng)硅基材料的瓶頸，碳基材料憑借其獨特的物理化學(xué)性質(zhì)，成為“后摩爾時代”備受矚目的半導(dǎo)體材料之一，主要包括以下三種：

1. 三維金剛石：終極半導(dǎo)體材料

(一) 優(yōu)異特性：

超寬帶隙 (5.4 eV)：本征載流子濃度極低，器件可在更高溫度下工作。

耐高溫：在高溫環(huán)境下仍能保持穩(wěn)定性能，彌補傳統(tǒng)材料在大功率高溫場景下的不足。

深耗盡特性：在高反向偏壓下形成深耗盡區(qū)，擊穿電壓更高，漏電流更低，效率更高。

超高熱導(dǎo)率 (2000 W/m·K)：可快速散熱，降低器件工作溫度，提高可靠性。

超高載流子遷移率：

電子/空穴遷移率：4500/3800 cm2/(V·s)

飽和速度：2.5×10? cm/s

相比傳統(tǒng)硅鍺材料，速度優(yōu)勢明顯。

(二) 制備挑戰(zhàn)：

大尺寸高質(zhì)量單晶金剛石生長困難：

CVD法：可實現(xiàn)大尺寸襯底制備，但位錯缺陷密度較高。

HPHT法：可實現(xiàn)低位錯密度，但難以實現(xiàn)大尺寸晶圓級制備。

外延生長：存在晶格常數(shù)不匹配問題，導(dǎo)致缺陷密度高。

摻雜難題：

n型摻雜：常見摻雜元素(N、P)形成較深施主能級，常溫下難以電離，且摻雜原子在金剛石晶格中穩(wěn)定性差，引入大量缺陷。

p型摻雜：B摻雜相對成熟，但n型金剛石制備仍面臨挑戰(zhàn)。

表面終端處理技術(shù)有待提升：氫終端金剛石(H-diamond)表面p型導(dǎo)電性依賴于外界環(huán)境，如何提升其高溫穩(wěn)定性至關(guān)重要。

(三) 射頻器件應(yīng)用現(xiàn)狀：

高溫高功率應(yīng)用優(yōu)勢明顯：

金剛石MOSFET 在 450°C 下仍能保持良好穩(wěn)定性。

氫終端金剛石MOSFET 在高溫下表現(xiàn)出優(yōu)異的電學(xué)性能。

射頻性能優(yōu)異：

柵長 100 nm 的金剛石MOSFET 電流截止頻率 fT 和最高振蕩頻率 fmax 分別達到 45 GHz 和 120 GHz。

柵長 50 nm 的金剛石MOSFET fT 達到 53 GHz。

氫終端金剛石MESFET fmax 達到 103 GHz。

高功率輸出能力突出：

柵長 450 nm 的氫終端金剛石MOSFET 在 2 GHz 下獲得 1.04 W/mm 的輸出功率密度。

采用 T 型柵結(jié)構(gòu)和 Al2O3/Si3N4 雙層介質(zhì)鈍化的金剛石MOSFET 在 10 GHz 下實現(xiàn) 2.1 W/mm 的超高輸出功率密度。

(四) 未來展望：

材料制備：

突破大尺寸、高質(zhì)量單晶金剛石生長技術(shù)。

提升摻雜效率，特別是 n 型金剛石制備技術(shù)。

器件工藝：

改善金剛石與柵介質(zhì)界面質(zhì)量，降低界面態(tài)密度，提升載流子遷移率。

開發(fā)更穩(wěn)定的表面終端處理技術(shù)。

2. 二維石墨烯：高頻領(lǐng)域的明星材料

(一) 獨特性質(zhì)：

超薄結(jié)構(gòu)：有效降低寄生電容和電阻，擁有更好的高頻響應(yīng)能力。

超高載流子遷移率 (>100,000 cm2/(V·s))：接近理論值，在射頻領(lǐng)域極具應(yīng)用潛力。

零帶隙特性：

優(yōu)點：在頻率變換（倍頻、混頻等）方面具有獨特優(yōu)勢。

缺點：難以實現(xiàn)良好的開關(guān)比，限制了在功率放大器等領(lǐng)域的應(yīng)用。

(二) 制備方法：

自上而下：

機械剝離：制備的石墨烯質(zhì)量高，但產(chǎn)量低，難以大規(guī)模應(yīng)用。

液相剝離：難以控制石墨烯層數(shù)和均勻性。

電化學(xué)剝離：可實現(xiàn)層間剝離，但可能引入雜質(zhì)。

自下而上：

CVD法：可制備大面積高質(zhì)量石墨烯，但轉(zhuǎn)移過程可能造成污染和損傷。

SiC 高溫升華法：可直接生長高質(zhì)量石墨烯，但成本較高。

(三) 射頻器件應(yīng)用現(xiàn)狀：

射頻晶體管性能優(yōu)異：

首個石墨烯MOSFET 截止頻率 fT 達到 14.7 GHz。

柵長 67 nm 的石墨烯MOSFET fT 達到 427 GHz。

金屬 Au 覆蓋轉(zhuǎn)移結(jié)合 T 型柵工藝的石墨烯射頻晶體管 fmax 達到 200 GHz。

射頻電路應(yīng)用：

倍頻器：利用石墨烯雙極性特點，可實現(xiàn)高效的二倍頻和四倍頻。

混頻器：可實現(xiàn)高效的頻率轉(zhuǎn)換，例如 24 dB 損耗的下變頻混頻器。

(四) 未來展望：

材料制備：

提升大尺寸、高質(zhì)量石墨烯的制備工藝，包括生長、轉(zhuǎn)移和清洗工藝。

帶隙調(diào)控：

開發(fā)更有效的帶隙打開方法，擴展石墨烯MOSFET 在射頻領(lǐng)域的應(yīng)用范圍。

器件工藝：

降低接觸電阻、柵電阻和寄生電容，進一步提升器件性能。

3. 準一維碳納米管：CMOS架構(gòu)的先鋒材料

(一) 獨特性質(zhì)：

超高載流子遷移率 (100,000 cm2/(V·s))和超薄體 (1~3 nm)：有望延續(xù)摩爾定律的發(fā)展。

帶隙多樣：

寬帶隙碳納米管：開關(guān)比大，可用于數(shù)字邏輯電路。

窄帶隙碳納米管：具有雙極性，可用于頻率變換應(yīng)用。

CMOS架構(gòu)優(yōu)勢：可實現(xiàn)高集成度電路設(shè)計。

(二) 射頻器件應(yīng)用現(xiàn)狀：

射頻晶體管性能優(yōu)異：

首個碳納米管射頻晶體管 fT/fmax 達到 8 GHz/10 GHz。

碳納米管薄膜射頻晶體管 fT-int 達到 30 GHz。

碳納米管陣列射頻晶體管 fT/fmax 達到 100 GHz/70 GHz。

碳納米管網(wǎng)絡(luò)射頻晶體管 fmax 首次超過 100 GHz。

射頻電路應(yīng)用：

倍頻器：可實現(xiàn)高效的倍頻功能，例如利用雙極性特點實現(xiàn) 2 kHz 輸出信號。

放大器：碳納米管射頻晶體管在功率放大和線性度方面展現(xiàn)出應(yīng)用潛力。

混頻器：可實現(xiàn)高效的頻率轉(zhuǎn)換，例如 200 GHz W MMIC 混頻器。

(三) 未來展望：

材料制備：

突破大尺寸(>203.2 mm )、高純度(>99.9999%)、高密度(>200根/微米)、高取向和低缺陷的碳納米管材料制備技術(shù)。

器件工藝：

提升碳納米管與高k 柵介質(zhì)界面質(zhì)量，降低界面態(tài)密度。

解決溝道區(qū)域電阻較高的問題，例如通過摻雜或改進柵結(jié)構(gòu)實現(xiàn)間隙區(qū)碳納米管低阻化，同時避免引入過多散射。

總結(jié)

碳基材料以其優(yōu)異的電學(xué)性能和獨特的物理化學(xué)性質(zhì)，為射頻電子器件的發(fā)展帶來了新的機遇：

金剛石：在高壓、高溫和大功率應(yīng)用領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大潛力。

石墨烯：在高頻和頻率變換方面具有獨特優(yōu)勢。

碳納米管：在高頻器件和CMOS 架構(gòu)應(yīng)用方面具有廣闊前景。

然而，要實現(xiàn)碳基射頻電子器件的進一步發(fā)展和產(chǎn)業(yè)化，仍需在材料生長、器件制備和工藝優(yōu)化等方面進行更深入的研究。