如何看待近期「硅 - 石墨烯 - 锗晶体管」研制成功？

2019-11-12

双极性晶体管多半采用锗或硅材质制成，但锗晶体管的一个主要缺点是它容易产生热失控，由于锗的禁带宽度较窄，因此大多数现代的双极性晶体管是由硅制造的。HBT 的截止频率将最终被基区渡越时间所限制，而 HET 则受限于无孔、低阻的超薄金属基区的制备难题。所以科学家把脑筋动到了石墨烯，人们提出使用石墨烯作为基区材料制备晶体管，其原子级厚度将消除基区渡越时间的限制，同时其超高的「载流子迁移率」也有助于实现高质量的低阻基区。

石墨烯基晶体管已被提出用于高频应用，因为石墨烯的原子厚度所引起的基极穿越时间可忽略不计。然而，通常使用的隧道发射极具有高的发射极势垒高度，这限制了晶体管向太赫兹工作的性能。为了克服这个问题，理论上已经提出了石墨烯基异质结晶体管，其中，石墨烯基被硅层夹在中间。在这里，他们演示了一种垂直硅-石墨烯-锗晶体管，其中实现了由单晶硅和单硅石墨烯构成的肖特基发射极。这种肖特基发射极的电流为 692A/cm2，电容为 41nF/cm2，因此，通过使用先前的隧道发射极，晶体管的 alpha 截止频率有望从约 1MHz 增加到高于 1.2GHz，随着进一步的工程设计，硅-石墨烯-锗晶体管有望成为超高频工作最有希望的器件之一。

什么是「基区材料」？基区是双极型晶体管（BJT）结构中的一个重要区域，BJT 是由两个背靠背的 PN 结组成的，这两个 PN 结中间的公共区域就是「基区」。基区宽度必须很小（小于基区中少数载流子的扩散长度），这才能形成一个有用的晶体管，否则放大性能太差（这也有利于提高频率和速度）；同时，基区的掺杂浓度也必须小于发射区的掺杂浓度，否则同样性能也很差（但是基区掺杂浓度也不能太低，否则要影响频率、速度和噪声等性能）。一块半导体基片上制作两个相距很近的 PN 结，两个 PN 结把整块半导体分成三部分，两侧部分是发射区和集电区，中间部分是基区，而晶体管构造中，基区很薄且杂质浓度低。

那什么是「肖特基结」？肖特基结是一种简单的金属与半导体的交界面，它与 PN 结相似，具有非线性阻抗特性。不同金属与不同种类的半导体接触时，具有不同的肖特基势垒高度，势垒高度随外加电压变化。当金属接正电压时，空间电荷区中的电场减小，势垒降低，载流子容易通过；反之，势垒升高，载流子不易通过，因此肖特基结具有单向导电的整流特性。例如在太阳能电池中较多使用的是硅 PN 结，这是由于其制作工艺要相对简单。在石墨烯-硅太阳能电池中，将单层石墨烯放在硅片上，即可形成肖特基结（Schottky junction），在光照条件下，硅中会产生电子-空穴对（electron-hole pairs），然后光生电子和空穴分离（电子流朝着一个方向，空穴朝另一个反向运动），进而被带相反电荷的石墨烯和半导体接触器捕获，通过这种单向的电流流动，使设备发电。

考虑到产品附加值的问题，在石墨烯技术上我们不做低价的双极型晶体管，做的是单极型晶体管这类高频领域的电子器件，像是场效晶体管（Field Effect Transistor，FET）及金属氧化物半导体场效晶体管（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，MOSFET）。因为双极型晶体管损耗大、价格便宜，仅能用在数字电路开关控制，不像 FET 或 MOS 晶体管用于高频高速电路，大电流场合以及对基极或漏极控制电流比较敏感的地方。其它像 MOS 晶体管可以做开关电路，也可以做模拟放大，用途更加广阔。而不论是使用机械剥离或是成长在触媒表面的石墨烯，都不需要将匣极限宽控制到只有数十纳米，便可以将截止频率（cut-off frequency）推展到 GHz，我实在不知道如何点评石墨烯双极型晶体管的发展性了。

Ref.:

分类：民生 >>半导体 >>科研