基于排列整齐的碳纳米管阵列的太赫兹金属氧化物半导体晶体管

《Nature Electronics》：Terahertz metal–oxide–semiconductor transistors based on aligned carbon nanotube arrays

对齐碳纳米管薄膜制成的金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）实现了1 THz以上截止频率，80 nm栅极器件载流子迁移率达3000 cm2/Vs，35 nm Y型栅极器件截止频率551 GHz，50 nm器件构建30 GHz毫米波放大器增益21.4 dB。

　　

摘要

排列整齐的半导体碳纳米管薄膜可用于制造互补金属氧化物半导体场效应晶体管（用于数字集成电路），以及用于太赫兹模拟集成电路的射频晶体管。然而，这类器件的工作频率仍然较低，无法应用于第六代无线通信技术。本文报道了一种基于排列有序碳纳米管薄膜的金属氧化物半导体场效应晶体管，其截止频率超过了1太赫兹（1 THz）。通过优化栅极结构和制造工艺，我们制备出了栅极长度为80纳米的器件，其载流子迁移率超过3000厘米2伏特?1秒?1（3000 cm2 V?1 s?1），开启状态电流为3.02毫安每微米（3.02 mA μm?1），在-1伏特偏压下的峰值跨导为1.71毫西门子每微米（1.71 mS μm?1），饱和速度为3.5×10?厘米每秒（3.5 × 10? cm s?1）。通过引入Y形栅极结构，我们还制备出了栅极长度为35纳米的器件，其外部截止频率（f_T）高达551吉赫兹（551 GHz），最大振荡频率（f_max）达到1024吉赫兹（1024 GHz）。最后，我们使用栅极长度为50纳米的器件制造了毫米波段（30吉赫兹）射频放大器，其增益高达21.4分贝（21.4 dB）。