Credit: Shi等人大多数下一代无线通信技术都需要集成射频设备，这些设备可以在大于90 GHz的频率下工作。最广泛用于制造射频器件的两种半导体是硅互补金属氧化物半导体场效应晶体管和基于ⅲ-ⅴ族化合物半导体的晶体管，特别是GaAs。然而，这两种半导体射频技术都不能同时实现高工作频率，并且很容易集成到无线通信技术中。半导体单壁碳纳米管(CNTs)由于其良好的电子和物理特性，是发展高速场效应晶体管(达到太赫兹频率)的一个有希望的日期。值得注意的是，碳纳米管制造射频模拟和数字器件的材料要求几乎相同。
中国北京大学的研究人员最近基于对准的碳纳米管阵列制造了新的射频晶体管。发表在《自然电子》杂志上的一篇论文中，这些晶体管是使用两种不同的方法制造的，一种是双分散分选，另一种是二元液体界面排列工艺。
进行这项研究的研究人员之一彭练矛告诉TechXplore:“与基于硅和III-V族化合物半导体的技术相比，CNT FETs在SoC应用中可以实现更好的性能。"然而，碳纳米管场效应晶体管的速度和增益仍然落后于理论预测."
到目前为止，基于碳纳米管的场效应晶体管的速度是有限且不令人满意的，这主要是由于缺乏具有合适密度、高均匀性、高半导体纯度和高载流子迁移率的良好排列的半导体碳纳米管阵列。为了克服这些挑战，开发高性能的碳纳米管射频器件，研究人员决定调整碳纳米管材料的结构。
为了制造射频晶体管，彭和他的同事们主要使用了两种工艺，即电子束光刻技术(EBL)和原子层沉积技术(ALD)。然后，他们使用其他纳米制造设备，通过所谓的自上而下剥离工艺，完成了器件中每个功能层的制备。
“我们通过双分散和二元液体界面受限自组装(BLIS)工艺获得了用于射频应用的碳纳米管阵列，并基于碳纳米管阵列实现了高性能射频器件和放大器的制造，”彭说。“至于我们的主要目标，我们希望在实验条件下探索基于碳纳米管阵列的晶体管和放大器的上限频率潜力、功率增益和线性性能潜力。”
彭及其同事开发的纳米管阵列密度约为每微米120个纳米管，载流子迁移率为1，580 cm2V-1s-1，饱和速度高达3.0x 107cm-s-1。利用这些纳米管阵列，研究人员制造了在毫米波和太赫兹频率下工作时具有高直流性能的场效应晶体管。
Credit: Shi等“我们希望CNT射频器件的速度、放大和线性潜力能够在实验中得到真正的展示，”彭说。
值得注意的是，这组研究人员开发的基于碳纳米管的射频晶体管属于金属氧化物半导体场效应晶体管的范畴。换句话说，支持它们运行的机制类似于支持MOSFETs运行的机制。
“射频晶体管是一个三端器件，由栅极节点、源极节点和漏极节点组成，”彭说。"栅极节点控制源极和漏极节点之间的导电沟道."
为了能够放大射频信号，研究人员创建的晶体管依赖于场效应晶体管器件的跨导放大。此外，它们的运行速度取决于设备通道中承运人的运输速度。
“我们晶体管的主要优势可以总结为三个要点，”彭说。“首先，我们基于高密度半导体CNT阵列的器件表现出强大的开态驱动能力，导致大跨导和大电流，这带来了强大的射频信号放大能力。其次，我们的碳纳米管阵列表现出高载流子饱和速度和高迁移率，对应于高电流增益截止频率(fT)和功率增益截止频率(fMAX)。”
在最初的评估中，由彭和他的同事创建的CNT阵列被发现具有优异的质量，并且表现出高的固有线性性能。值得注意的是，研究人员率先将基于碳纳米管的射频场效应晶体管的固有频率性能推进到太赫兹领域。
“虽然长期以来理论上预测碳纳米管场效应晶体管具有太赫兹潜力，但我们的结果是对此最接近的实验证明，”彭说。“此外，在相似的栅极长度和相同的去嵌入条件下，基于碳纳米管阵列的场效应晶体管器件表现出比硅基器件更高的截止频率。”
这组研究人员收集的发现表明，基于碳纳米管的器件的射频速度可以达到理论预测所概述的理想水平。未来，彭和他的同事希望通过进一步优化碳纳米管射频晶体管的组成和结构，进一步提高其性能。
“我们还计划实现工作在太赫兹波段的基于碳纳米管的实用放大器，”彭说。“通过将它们与基于CNT的高性能数字CMOS ICs集成，我们期待将基于CNT阵列的高速电子应用于工作在毫米波甚至太赫兹频率的SoC应用。”
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