碳基射频电子器件的研究进展

描述

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。

电子器件

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。

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