Радиочастотные транзисторы на основе массивов углеродных нанотрубок высокой чистоты

Прочитано: 273 раз(а)
1 Звезда2 Звезды3 Звезды4 Звезды5 Звезд (Оценок пока нет)
Loading ... Loading ...


Большинство технологий беспроводной связи следующего поколения требуют интегрированных радиочастотных устройств, которые могут работать на частотах выше 90 ГГц. Два полупроводника, наиболее широко используемых для изготовления радиочастотных устройств, — это кремниевые комплементарные металл-оксид-полупроводниковые (CMOS) полевые транзисторы (FET) и транзисторы на основе полупроводниковых соединений III-V, в частности GaAs.

Однако обе эти полупроводниковые радиочастотные технологии не могут одновременно обеспечивать высокие рабочие частоты и их легко интегрировать в технологии беспроводной связи. Перспективным кандидатом для разработки высокоскоростных полевых транзисторов (до терагерцовых частот) являются полупроводниковые одностенные углеродные нанотрубки (УНТ) благодаря их благоприятным электронным и физическим свойствам. Примечательно, что требования к материалам УНТ для изготовления аналоговых и цифровых ВЧ устройств практически одинаковы.

Исследователи из Пекинского университета в Китае недавно изготовили новые ВЧ-транзисторы на основе упорядоченных массивов УНТ. Эти транзисторы, представленные в статье, опубликованной в Nature Electronics , были созданы с использованием двух различных методов: сортировки по двойной дисперсии и процесса выравнивания границы раздела бинарных жидкостей.

«Полевые транзисторы CNT могут обеспечить лучшую производительность для приложений SoC, чем технологии на основе кремния и соединений III-V на основе полупроводников», — сказал TechXplore Ляньмао Пэн, один из исследователей, проводивших исследование. «Однако и скорость, и коэффициент усиления полевых транзисторов из CNT все еще отстают от теоретических предсказаний».

Скорость полевых транзисторов на основе УНТ до сих пор была ограниченной и неудовлетворительной, в первую очередь из-за отсутствия хорошо выровненных массивов полупроводниковых УНТ с подходящей плотностью, высокой однородностью, высокой полупроводниковой чистотой и высокой подвижностью носителей. Чтобы преодолеть эти проблемы и разработать высокопроизводительные ВЧ-устройства с УНТ, исследователи решили адаптировать структуру материалов УНТ.


Для изготовления своих ВЧ-транзисторов Пэн и его коллеги в основном использовали два процесса, известные как электронно-лучевая литография (EBL) и осаждение атомных слоев (ALD). Затем они завершили подготовку каждого из функциональных слоев в устройствах, используя другое оборудование для нанопроизводства, с помощью так называемого процесса подъема сверху вниз.

«Мы получили массивы УНТ для радиочастотного применения с помощью процедуры самосборки с двойной дисперсией и бинарной жидкостью на границе раздела фаз (BLIS) и осуществили изготовление высокопроизводительных радиочастотных устройств и усилителей на основе массивов УНТ», — сказал Пэн. «Что касается наших основных целей, мы хотели изучить потенциал верхней предельной частоты, коэффициент усиления мощности и потенциал линейности транзисторов и усилителей на основе массива УНТ в экспериментальных условиях».

Массивы нанотрубок, разработанные Пенгом и его коллегами, имеют плотность примерно 120 нанотрубок на микрометр, демонстрируя подвижность носителей 1580 см 2 В -1 с -1 и скорость насыщения до 3,0х10 7 см с -1 . Используя эти массивы нанотрубок, исследователи изготовили полевые транзисторы, которые достигли высоких характеристик постоянного тока при работе на частотах миллиметрового и терагерцового диапазонов.

«Мы надеемся, что скорость, усиление и линейный потенциал устройств CNT RF могут быть действительно продемонстрированы в экспериментах», — сказал Пэн.

Примечательно, что радиочастотные транзисторы на основе УНТ, разработанные этой группой исследователей, относятся к категории полевых транзисторов (полевых транзисторов) металл-оксид-полупроводник (МОП ). Другими словами, механизм, лежащий в основе их работы, напоминает механизм, обеспечивающий работу полевых МОП-транзисторов.

«РЧ-транзистор представляет собой трехконтактное устройство , состоящее из узла затвора, узла истока и узла стока», — сказал Пэн. «Узел затвора управляет каналом проводимости между узлом истока и стока».

Чтобы обеспечить усиление радиочастотных сигналов, транзисторы, созданные исследователями, полагаются на усиление крутизны полевого транзистора. Причем скорость их работы зависит от скорости транспортировки носителей в канале устройства.

«Основные преимущества наших транзисторов можно резюмировать в виде трех основных моментов», — сказал Пэн. «Во-первых, наши устройства на основе массивов полупроводниковых УНТ высокой плотности демонстрируют высокую способность возбуждения в открытом состоянии, что приводит к большой крутизне проводимости и большому току, что обеспечивает высокую способность усиления радиочастотного сигнала. Во-вторых, наши массивы УНТ демонстрируют высокую скорость насыщения носителей и высокая мобильность, соответствующая высокой частоте отсечки усиления по току (fT) и частоте отсечки усиления мощности (fMAX) ».

При первоначальных оценках массивы УНТ, созданные Пэном и его коллегами, оказались отличного качества и продемонстрировали высокую характеристику линейности. Примечательно, что исследователи первыми перевели собственные частотные характеристики полевых ВЧ-транзисторов на основе УНТ в терагерцовый режим.

«Хотя теоретически давно предсказывалось, что полевые транзисторы из углеродных нанотрубок обладают терагерцовым потенциалом, наши результаты являются наиболее точной экспериментальной демонстрацией этого», — сказал Пэн. «Кроме того, полевые транзисторы на основе массивов УНТ демонстрируют более высокие частоты отсечки, чем устройства на основе кремния, при той же длине затвора и тех же условиях деэмбедирования».

Выводы, собранные этой группой исследователей, демонстрируют, что скорость RF устройств на основе CNT может достигать желаемых уровней, обозначенных теоретическими предсказаниями. В будущем Пэн и его коллеги хотели бы еще больше улучшить характеристики ВЧ- транзисторов на основе УНТ за счет дальнейшей оптимизации их состава и структуры.

«Мы также планируем реализовать практические усилители на основе CNT, работающие в терагерцовом режиме», — сказал Пэн. «Интегрируя их с высокопроизводительными цифровыми КМОП-микросхемами на основе CNT, мы надеемся применить высокоскоростную электронику на основе массивов CNT для приложений SoC, работающих в миллиметровых и даже ТГц диапазонах».

«Три плюс два» — физики определили тип квазичастиц в полупроводниковых углеродных нанотрубках



Новости партнеров

Загрузка...