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».