碳基射频电子器件的研究进展

引言：6G时代呼唤新型半导体材料

随着6G时代的到来，现代通信技术对半导体射频器件提出了更为严苛的要求：

更低延时：信息传输速度需达到前所未有的高度。

更大功率：支持更远距离、更高速率的数据传输。

更高速度：满足海量数据传输需求。

更大带宽：容纳更多设备同时接入网络。

然而，传统硅基器件受限于材料本征特性，难以满足上述需求：

载流子迁移率有限：难以实现更高的频率和更快的开关速度。

击穿电压不足：难以在高功率应用中保持稳定。

集成度提升困难：难以实现更小尺寸、更低功耗的器件。

材料和器件示意图: (a) 单晶金刚石衬底和金刚石 MOSFET 结构图; (b) 单层及多层石墨烯光学图和石墨烯 MOS‐FET 结构图; (c) 阵列碳纳米管 101.6 mm（4 英寸）晶圆材料和碳纳米管 MOSFET 结构图图源：论文

碳基材料：后摩尔时代的希望之光

为了突破传统硅基材料的瓶颈，碳基材料凭借其独特的物理化学性质，成为“后摩尔时代”备受瞩目的半导体材料之一，主要包括以下三种：

1. 三维金刚石：终极半导体材料

(一) 优异特性：

超宽带隙 (5.4 eV)：本征载流子浓度极低，器件可在更高温度下工作。

耐高温：在高温环境下仍能保持稳定性能，弥补传统材料在大功率高温场景下的不足。

深耗尽特性：在高反向偏压下形成深耗尽区，击穿电压更高，漏电流更低，效率更高。

超高热导率 (2000 W/m·K)：可快速散热，降低器件工作温度，提高可靠性。

超高载流子迁移率：

电子/空穴迁移率：4500/3800 cm²/(V·s)

饱和速度：2.5×10⁷ cm/s

相比传统硅锗材料，速度优势明显。

(二) 制备挑战：

大尺寸高质量单晶金刚石生长困难：

CVD法：可实现大尺寸衬底制备，但位错缺陷密度较高。

HPHT法：可实现低位错密度，但难以实现大尺寸晶圆级制备。

外延生长：存在晶格常数不匹配问题，导致缺陷密度高。

掺杂难题：

n型掺杂：常见掺杂元素(N、P)形成较深施主能级，常温下难以电离，且掺杂原子在金刚石晶格中稳定性差，引入大量缺陷。

p型掺杂：B掺杂相对成熟，但n型金刚石制备仍面临挑战。

表面终端处理技术有待提升：氢终端金刚石(H-diamond)表面p型导电性依赖于外界环境，如何提升其高温稳定性至关重要。

(三) 射频器件应用现状：

高温高功率应用优势明显：

金刚石MOSFET 在 450°C 下仍能保持良好稳定性。

氢终端金刚石MOSFET 在高温下表现出优异的电学性能。

射频性能优异：

栅长 100 nm 的金刚石MOSFET 电流截止频率 fT 和最高振荡频率 fmax 分别达到 45 GHz 和 120 GHz。

栅长 50 nm 的金刚石MOSFET fT 达到 53 GHz。

氢终端金刚石MESFET fmax 达到 103 GHz。

高功率输出能力突出：

栅长 450 nm 的氢终端金刚石MOSFET 在 2 GHz 下获得 1.04 W/mm 的输出功率密度。

采用 T 型栅结构和 Al2O3/Si3N4 双层介质钝化的金刚石MOSFET 在 10 GHz 下实现 2.1 W/mm 的超高输出功率密度。

(四) 未来展望：

材料制备：

突破大尺寸、高质量单晶金刚石生长技术。

提升掺杂效率，特别是 n 型金刚石制备技术。

器件工艺：

改善金刚石与栅介质界面质量，降低界面态密度，提升载流子迁移率。

开发更稳定的表面终端处理技术。

2. 二维石墨烯：高频领域的明星材料

(一) 独特性质：

超薄结构：有效降低寄生电容和电阻，拥有更好的高频响应能力。

超高载流子迁移率 (>100,000 cm²/(V·s))：接近理论值，在射频领域极具应用潜力。

零带隙特性：

优点：在频率变换（倍频、混频等）方面具有独特优势。

缺点：难以实现良好的开关比，限制了在功率放大器等领域的应用。

(二) 制备方法：

自上而下：

机械剥离：制备的石墨烯质量高，但产量低，难以大规模应用。

液相剥离：难以控制石墨烯层数和均匀性。

电化学剥离：可实现层间剥离，但可能引入杂质。

自下而上：

CVD法：可制备大面积高质量石墨烯，但转移过程可能造成污染和损伤。

SiC 高温升华法：可直接生长高质量石墨烯，但成本较高。

(三) 射频器件应用现状：

射频晶体管性能优异：

首个石墨烯MOSFET 截止频率 fT 达到 14.7 GHz。

栅长 67 nm 的石墨烯MOSFET fT 达到 427 GHz。

金属 Au 覆盖转移结合 T 型栅工艺的石墨烯射频晶体管 fmax 达到 200 GHz。

射频电路应用：

倍频器：利用石墨烯双极性特点，可实现高效的二倍频和四倍频。

混频器：可实现高效的频率转换，例如 24 dB 损耗的下变频混频器。

(四) 未来展望：

材料制备：

提升大尺寸、高质量石墨烯的制备工艺，包括生长、转移和清洗工艺。

带隙调控：

开发更有效的带隙打开方法，扩展石墨烯MOSFET 在射频领域的应用范围。

器件工艺：

降低接触电阻、栅电阻和寄生电容，进一步提升器件性能。

3. 准一维碳纳米管：CMOS架构的先锋材料

(一) 独特性质：

超高载流子迁移率 (100,000 cm²/(V·s))和超薄体 (1~3 nm)：有望延续摩尔定律的发展。

带隙多样：

宽带隙碳纳米管：开关比大，可用于数字逻辑电路。

窄带隙碳纳米管：具有双极性，可用于频率变换应用。

CMOS架构优势：可实现高集成度电路设计。

(二) 射频器件应用现状：

射频晶体管性能优异：

首个碳纳米管射频晶体管 fT/fmax 达到 8 GHz/10 GHz。

碳纳米管薄膜射频晶体管 fT-int 达到 30 GHz。

碳纳米管阵列射频晶体管 fT/fmax 达到 100 GHz/70 GHz。

碳纳米管网络射频晶体管 fmax 首次超过 100 GHz。

射频电路应用：

倍频器：可实现高效的倍频功能，例如利用双极性特点实现 2 kHz 输出信号。

放大器：碳纳米管射频晶体管在功率放大和线性度方面展现出应用潜力。

混频器：可实现高效的频率转换，例如 200 GHz W MMIC 混频器。

(三) 未来展望：

材料制备：

突破大尺寸(>203.2 mm )、高纯度(>99.9999%)、高密度(>200根/微米)、高取向和低缺陷的碳纳米管材料制备技术。

器件工艺：

提升碳纳米管与高k 栅介质界面质量，降低界面态密度。

解决沟道区域电阻较高的问题，例如通过掺杂或改进栅结构实现间隙区碳纳米管低阻化，同时避免引入过多散射。

总结

碳基材料以其优异的电学性能和独特的物理化学性质，为射频电子器件的发展带来了新的机遇：

金刚石：在高压、高温和大功率应用领域展现出巨大潜力。

石墨烯：在高频和频率变换方面具有独特优势。

碳纳米管：在高频器件和CMOS 架构应用方面具有广阔前景。

然而，要实现碳基射频电子器件的进一步发展和产业化，仍需在材料生长、器件制备和工艺优化等方面进行更深入的研究。