6月6日，國際學術(shù)期刊《自然·通訊》（Nature Communications）在線發(fā)表了中國科學院金屬研究所孫東明、劉馳團隊聯(lián)合多家科研單位的研究成果。團隊成功研制出國際上首款實現(xiàn)射頻測試的硅-石墨烯-鍺勢壘晶體管（Si-Graphene-Ge Barristor），該器件刷新了垂直二維基區(qū)晶體管的截止頻率紀錄，并創(chuàng)造了晶體管電流增益的世界最高值。

傳統(tǒng)晶體管已觸及物理天花板

隨著5G規(guī)模化部署與6G技術(shù)前瞻性探索加速，物聯(lián)網(wǎng)（IoT）、超高速傳感及智能通信系統(tǒng)對晶體管的運行速度提出了前所未有的要求——其截止頻率需突破1太赫茲（THz）的關(guān)鍵門檻。

然而，傳統(tǒng)高頻晶體管如高電子遷移率晶體管（HEMT）和異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管（HBT），其性能受限于載流子在溝道或體材料基區(qū)中的渡越時間，難以滿足太赫茲頻段的應用需求。

近年來，垂直二維基區(qū)晶體管采用石墨烯等二維材料作為基區(qū)，憑借原子級厚度大幅縮短載流子的垂直渡越時間，在構(gòu)筑太赫茲晶體管方面展現(xiàn)出巨大潛力。但該類器件普遍存在量子隧穿勢壘與界面缺陷問題，導致嚴重的載流子散射，從而限制其電流增益與高頻性能。如何通過新型調(diào)控機制克服界面瓶頸，已成為發(fā)展垂直二維基區(qū)晶體管的核心科學挑戰(zhàn)。

硅-石墨烯-鍺"三明治"結(jié)構(gòu)

針對這一難題，聯(lián)合團隊提出了一種創(chuàng)新性的高頻器件架構(gòu)——硅-石墨烯-鍺勢壘晶體管。

圖1. 高頻硅-石墨烯-鍺晶體管器件結(jié)構(gòu)。a. 外延石墨烯晶圓；b. 器件截面示意圖；c. 器件結(jié)構(gòu)展開圖；d. 掃描電子顯微鏡圖像；e. 器件陣列光學圖像。

研究團隊首先在鍺襯底上通過化學氣相沉積外延生長了晶圓級單晶單層石墨烯，隨后將單晶硅膜精確堆疊于石墨烯之上，構(gòu)筑了高質(zhì)量的硅-石墨烯-鍺垂直異質(zhì)結(jié)構(gòu)。

該結(jié)構(gòu)的核心機制在于：利用石墨烯與硅、鍺界面處形成的不對稱肖特基勢壘，并結(jié)合石墨烯的量子電容效應進行功函數(shù)調(diào)控，使得鍺端電流的變化幅度遠大于硅端，從而產(chǎn)生了高達1.8×10?的共射極電流增益——這是目前已報道晶體管中的最高紀錄。

圖2. 勢壘晶體管機制和直流特性。a. 不對稱肖特基勢壘能帶圖；b. 器件輸入特性；c. 器件轉(zhuǎn)移特性；d. 電流增益隨柵壓的變化；e. 器件增益統(tǒng)計分析；f. 與其他材料體系晶體管的增益對標。

在高頻性能方面，該晶體管實現(xiàn)了132 GHz的本征截止頻率（fT），超越了此前所有垂直二維基區(qū)晶體管的最高水平。

圖3. 勢壘晶體管射頻特性。a. 不同偏壓下增益H21頻率特性；b. 電流增益截止頻率與偏壓關(guān)系；c. 截止頻率的溫度依賴性；d. 不同鍺摻雜濃度下截止頻率分布；e. 不同器件面積的截止頻率統(tǒng)計；f. 與其他垂直二維基區(qū)晶體管的射頻性能對標。 

這一實測數(shù)據(jù)標志著該類器件首次從實驗室原理驗證走向射頻工程化測試，為勢壘晶體管在射頻與太赫茲通信領(lǐng)域的實際應用奠定了關(guān)鍵基礎(chǔ)。

優(yōu)化后有望突破1THz，進入太赫茲頻段

進一步的器件建模與仿真分析表明，通過優(yōu)化材料摻雜濃度、降低接觸電阻及縮減寄生效應，該器件的理論工作頻率有望突破1 THz，正式進入太赫茲應用頻段。

太赫茲頻段（0.1-10THz）被視為6G通信、超高分辨率成像、無損檢測、深空通信等前沿領(lǐng)域的"黃金頻段"。一旦晶體管工作頻率突破1THz，將為未來物聯(lián)網(wǎng)與6G傳感系統(tǒng)的超高速信號處理提供全新的技術(shù)路徑。

圖4. 硅-石墨烯-鍺勢壘晶體管的緊湊物理模型。a. 電容模型和能帶示意圖；b. 截止頻率隨偏壓的變化；c. 截止頻率隨摻雜濃度的變化；d. 截止頻率隨肖特基勢壘高度的變化。

應用意義 

該研究不僅為勢壘晶體管在射頻與太赫茲通信領(lǐng)域的應用奠定了堅實基礎(chǔ)，也為未來物聯(lián)網(wǎng)、6G傳感系統(tǒng)及超高速信號處理開辟了全新的技術(shù)路徑。

從晶圓級石墨烯外延生長，到硅膜精確堆疊，再到射頻性能實測與理論建模，中國科研團隊完成了一次從材料制備、器件架構(gòu)到性能驗證的全鏈條創(chuàng)新。在6G標準制定進入關(guān)鍵窗口期的當下，這一突破為我國在下一代通信核心器件領(lǐng)域搶占技術(shù)制高點提供了重要支撐。