可规模集成的碳纳米管双极晶体管和射频电路

碳纳米管具有超高的载流子迁移率和饱和速度,适合构造下一代高性能纳米电子器件。然而,碳纳米管材料制备方面的重大问题限制了其电子器件的规模制备,成为碳管电子学发展的重要瓶颈。一种非常有希望的方法是利用基底的晶格诱导作用,在石英基底上通过化学气相沉积的方法制备高密度定向排列的碳纳米管平行阵列。但是,目前的技术很难在生长时可靠地控制碳纳米管的手型,使得直接生长的碳管阵列中一般含有约三分之一的金属碳管,大大降低晶体管的电流开关比,限制了碳纳米管阵列的应用。尽管有多种方法可以选择性地 去除金属管,然而这些方法也会损伤半导体碳管,最后严重降低了器件性能。

北京大学电子学系、纳米器件物理与化学教育部重点实验室彭练矛张志勇研究组的王振兴博士等人发现在石英上自然生长的碳纳米管阵列呈现双极输运性,通过精心设计器件可以增强了这种双极性,制备出电子支和空穴支对称的双极晶体管,并且基于这种新的器件工作原理,设计并制备出了高性能的射频集成电路,包括倍频器、混频器,其工作频率高达40GHz,为目前碳基电路中最高水平。最为重要的是,研究中发现,石英晶格的强相互作用,会造成 碳管的C-C对称性破缺,在金属碳管中打开一个小的带隙,导致器件呈现双极输运性,从而使得金属碳管对整个器件产生贡献,而不是传统晶体管中所起的负面影响。这种双极性器件是基于自然生长的碳管阵列制备的,避免了选择性刻蚀金属型碳管的过程,从而保持了所有碳管的完美晶格,保证最终器件的速度。更为重要的是,整个工艺过程中无需选择碳管种类,因此可以规模制备器件,而且批量制备的器件成品率高达95%该工作为碳纳米管电子学的发展提供了新的思路和方向,在碳纳米管材料尚无法可靠制备的前提下,双极射频电路是碳管电子器件最有可能率先应用的领域。

相关工作得到了国家科技部重大研究计划纳米专项、国家自然科学基金、中组部青年拔尖人才计划的资助。部分射频测试工作在中科院微电子所刘洪刚研究员的实验室完成,碳纳米管样品由美国杜克大学刘杰教授和北京大学化学院张锦教授提供。