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中国科学院金属研究所孙东明、刘驰团队联合多家科研单位，在高频晶体管领域取得重要突破：成功研制出国际上首款实现射频测试的硅-石墨烯-锗势垒晶体管，该器件刷新了垂直二维基区晶体管的截止频率纪录，并创造了晶体管电流增益的世界最高值。相关研究成果以“A high-frequency silicon-graphene-germanium barristor”（一种高频硅-石墨烯-锗势垒晶体管）为题，于近日发表于《自然 · 通讯》（Nature Communications）。这也是国际上首款成功实现射频测试功能的势垒晶体管。
随着 5G 的规模化部署与 6G 技术的前瞻性探索，物联网（IoT）、超高速传感及智能通信系统对晶体管的运行速度提出了前所未有的要求，即其截止频率需突破 1 太赫兹（THz）的关键门槛。然而，传统高频晶体管，如高电子迁移率晶体管（HEMT）和异质结双极型晶体管（HBT），其性能受限于载流子在沟道或体材料基区中的渡越时间，难以满足太赫兹频段的应用需求。近年来，利用石墨烯等二维材料作为基区的垂直二维基区晶体管虽被寄予厚望，但界面处的量子隧穿势垒和缺陷问题长期存在，导致严重的载流子散射，限制了器件的电流增益与高频性能。
针对这一核心难题，联合团队提出了一种全新的器件架构，他们将晶圆级单晶单层石墨烯通过化学气相沉积外延生长于锗衬底上，再精确堆叠单晶硅膜，构筑出高质量的硅-石墨烯-锗垂直异质结构。
研究团队还利用石墨烯与硅、锗界面形成的不对称肖特基势垒，并结合石墨烯的量子电容效应实现功函数调控，使得锗端的电流变化幅度远大于硅端，从而产生了 1.8×107的共射极电流增益，创下目前已报道晶体管中的最高纪录。
在射频实测中，该晶体管的本征截止频率达到 132 GHz，超越了过去所有垂直二维基区晶体管的最高水平。进一步的器件建模与仿真分析表明，通过优化材料掺杂浓度、降低接触电阻及缩减寄生效应，该器件的理论工作频率有望突破 1 THz，进入太赫兹应用频段。
该研究不仅为势垒晶体管在射频与太赫兹通信领域的应用奠定了坚实基础，也为未来物联网与 6G 传感系统的超高速信号处理提供了全新的技术路径。
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