Транзисторы на углеродных нанотрубках достигают THz частот

Углеродные нанотрубки (УНТ), представляющие собой цилиндрические наноструктуры из атомов углерода, расположенных в гексагональной решетке, демонстрируют большой потенциал для создания разнообразных электронных устройств. Их выдающаяся электропроводность и механическая прочность делают их идеальным кандидатом для разработки транзисторов — ключевых компонентов, регулирующих поток электрического тока.

В последние годы инженеры все чаще используют УНТ для создания электроники, включая металл-оксидные полупроводниковые полевые транзисторы (MOSFET). Эти транзисторы управляют потоком тока в полупроводниковом канале посредством электрического поля, приложенного к затвору. Особый интерес представляют MOSFET на основе массивов УНТ, способные работать в радиочастотном (RF) диапазоне, который является основой беспроводной связи.

Исследователи из Пекинского университета, Университета Сянтан и Университета Чжэцзян представили новые MOSFET на основе УНТ, которые эффективно функционируют на терагерцовых (THz) частотах. Это означает, что они способны обрабатывать сигналы, изменяющиеся более триллиона раз в секунду. Разработка таких транзисторов открывает перспективы для создания сверхбыстрых беспроводных систем связи, а также высокоскоростных радаров и вычислительных систем.

Как отмечают авторы исследования, опубликованного в Nature Electronics, фильмы из ориентированных полупроводниковых углеродных нанотрубок могут быть использованы для создания комплементарных металл-оксидных полупроводниковых полевых транзисторов для цифровых интегральных схем и радиочастотных транзисторов для терагерцовых аналоговых интегральных схем. Однако, рабочие частоты таких устройств пока недостаточны для применения в шестом поколении беспроводной связи. Представленные MOSFET на основе ориентированных пленок УНТ демонстрируют частоту среза выше 1 ТГц.

Традиционные кремниевые транзисторы, используемые в современной электронике, надежно работают с частотами до 100-300 ГГц. Новые MOSFET на основе УНТ превосходят их, работая на частотах свыше 1 ТГц (1000 ГГц), что делает их перспективными для развития беспроводных технологий 6G и высокоскоростных систем связи.

Путем оптимизации структуры затвора и процессов изготовления, исследователи создали устройства с длиной затвора 80 нм, демонстрирующие подвижность носителей заряда свыше 3000 см² В⁻¹ с⁻¹, ток в открытом состоянии 3.02 мА мкм⁻¹, пиковую крутизну 1.71 мС мкм⁻¹ при смещении -1 В и скорость насыщения 3.5 × 10⁷ см с⁻¹.

Кроме того, применение Y-образного затвора позволило создать устройства с длиной затвора 35 нм, обладающие внешней частотой среза (fT) до 551 ГГц и максимальной частотой самовозбуждения (fmax) 1024 ГГц. Устройства с длиной затвора 50 нм были использованы для изготовления усилителей радиочастот в миллиметровом диапазоне (30 ГГц) с коэффициентом усиления до 21.4 дБ.

Для демонстрации потенциала своих разработок, исследователи применили новые MOSFET для создания радиочастотных усилителей, работающих в миллиметровом диапазоне. Эти усилители продемонстрировали высокую эффективность, надежно увеличивая мощность высокочастотных (30 ГГц) сигналов более чем в сто раз.

В целом, последние достижения подчеркивают перспективность массивов УНТ для создания транзисторов, способных обеспечить более быструю связь. В будущем, разработанные MOSFET могут быть усовершенствованы для создания сверхскоростных беспроводных передатчиков и приемников, а также мощных THz сенсорных технологий и высокоскоростных электронных схем.