隨著集成電路的不斷縮小,傳統(tǒng)硅基材料逐漸接近性能極限。碳納米管,作為一種低維材料,憑借其獨特的結構和優(yōu)異的性能,在射頻領域展現出巨大的應用潛力。
碳納米管的種類和優(yōu)勢:
半導體性碳納米管:由于其獨特的準一維結構,能夠有效減小散射相位空間,載流子平均自由程長,在尺寸縮減過程中受到的短溝道效應弱,同時具有優(yōu)異的化學穩(wěn)定性、機械強度和熱穩(wěn)定性。
CMOS架構:碳納米管可以實現CMOS架構,這是其他新材料難以企及的優(yōu)勢,使其在未來大規(guī)模集成和電路設計中更具競爭力。
材料分類:
單根碳納米管:早期用于原理驗證,2003年實現無摻雜p型晶體管。
薄膜碳納米管:溶液法制備,密度10~30根/微米,成本低但取向隨機,適用于生物傳感等低集成場景。
陣列碳納米管:通過CVD或維度自限制法(DLSA)制備,高密度(>100根/微米)、高純度(半導體純度>99.999%),是射頻器件的核心材料。
碳納米管射頻工藝發(fā)展
1.制備技術
CVD法:在石英或高阻硅襯底上生長,但早期半導體純度低。
溶液法結合電泳(DEP):提升半導體純度至99%,密度達30根/微米,實現30 GHz本征截止頻率。
DLSA技術(2020年突破):實現晶圓級(101.6 mm)高密度(100~200根/微米)、高純度陣列碳納米管,為THz級應用奠定基礎。
2.器件加工工藝
無摻雜技術:利用金屬鈦(Ti)功函數特性,形成自對準歐姆接觸,避免傳統(tǒng)摻雜對晶格的破壞。
T型柵與空氣間隙結構:降低寄生電容,提升高頻性能(如120根/微米陣列管實現540 GHz本征截止頻率)。
界面優(yōu)化:通過高k柵介質(如HfO?、Al?O?)降低界面態(tài)密度(目標<1011 cm?2·eV?1),提升載流子遷移率。
碳納米管射頻器件應用與成果
雙極性特性:利用零偏置下的對稱V型轉移曲線,實現高效倍頻(如200 kHz輸入→800 kHz四倍頻輸出,頻譜純度50%)。
混頻器:2017年實現W波段(75~110 GHz)混頻器MMIC電路,輸出功率壓縮點達-4.2 dBm。
2.射頻放大器
高增益與線性度:2019年制備的碳納米管射頻晶體管在K波段(18 GHz)實現23.2 dB增益,輸出三階交調點(OIP3)達17.6 dBm。
功率密度突破:2020年北京大學團隊在120根/微米陣列管上實現540 GHz/306 GHz本征截止頻率,THz級應用潛力顯現。
3.絕緣基底應用
優(yōu)勢:直接沉積于石英或高阻硅襯底,降低寄生電容,優(yōu)于需轉移的石墨烯和難外延的III-V族材料。
成果:2020年在101.6 mm石英襯底上實現186 GHz/158 GHz的射頻晶體管性能。
技術挑戰(zhàn)與未來展望
1.核心挑戰(zhàn)
材料制備:需兼顧大尺寸(>203.2 mm)、高密度(>200根/微米)、高純度和低缺陷。
界面態(tài)密度:當前約6.1×1011 cm?2·eV?1,需進一步降低以提升器件穩(wěn)定性。
溝道電阻:T型柵間隙區(qū)域的高阻態(tài)問題,需通過摻雜或結構優(yōu)化解決。
2.未來方向
CMOS集成:延續(xù)無摻雜技術優(yōu)勢,推動碳納米管在數字-射頻混合電路中的應用。
太赫茲應用:優(yōu)化工藝實現理論預測的THz級截止頻率(>1 THz)。
三維集成:結合柔性電子與三維堆疊技術,拓展在6G通信和物聯網中的應用場景。
總結
碳納米管憑借超高遷移率、CMOS兼容性和獨特雙極性特性,在射頻領域展現出顛覆性潛力。當前研究已實現THz級本征性能,未來需突破材料制備與界面優(yōu)化瓶頸,推動其在高頻通信、功率放大和集成系統(tǒng)中的應用。