【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，南方科技大學(xué)納米科學(xué)與應(yīng)用研究院講席教授宋愛(ài)民團(tuán)隊(duì)在高性能二維材料共振隧穿晶體管的制備中取得新進(jìn)展，相關(guān)成果以“Toward high-current-density and high-frequency graphene resonant tunneling transistors”為題發(fā)表在Nature Communications上。
 

　　負(fù)微分電阻是一種特殊的電學(xué)特性，表現(xiàn)為電流隨電壓升高而減小，這種反常規(guī)行為使其在振蕩器、多值邏輯電路及存儲(chǔ)器等領(lǐng)域展現(xiàn)出獨(dú)特應(yīng)用價(jià)值。該現(xiàn)象可通過(guò)共振隧穿晶體管等量子隧穿器件實(shí)現(xiàn)，其中隧穿結(jié)的能帶工程對(duì)特性調(diào)控起關(guān)鍵作用。近年來(lái)，二維材料基隧穿器件研究取得顯著進(jìn)展，得益于這類材料天然的原子級(jí)平整表面和無(wú)懸掛鍵特性，為構(gòu)建具有原子層精度的垂直隧穿結(jié)提供了理想平臺(tái)。然而，在以往的文獻(xiàn)報(bào)道中，二維隧穿器件實(shí)現(xiàn)的負(fù)微分電阻峰電流密度普遍較低(不超過(guò)10μA/μm2)，導(dǎo)致了較大的RC和較低的工作頻率(不超過(guò)2MHz)，限制了其應(yīng)用。
 

圖1  二維材料共振隧穿晶體管的結(jié)構(gòu)和輸出特性
 

　　針對(duì)高電流密度下負(fù)微分電阻特性湮滅的關(guān)鍵難題，研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)精準(zhǔn)調(diào)控二維異質(zhì)結(jié)界面，系統(tǒng)制備了1-5層原子級(jí)h-BN勢(shì)壘的Gr/h-BN/Gr垂直結(jié)構(gòu)器件陣列。基于傳輸線模型的定量分析表明，傳統(tǒng)矩形溝道中電極邊緣散射引發(fā)的接觸電阻會(huì)完全掩蓋負(fù)微分電阻特征。為此，團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新開發(fā)三角型等離子體刻蝕結(jié)合自對(duì)準(zhǔn)工藝，形成梯度過(guò)渡的錐形電極界面，成功將寄生電阻降低，最終在單層h-BN勢(shì)壘中觀測(cè)到穩(wěn)定負(fù)微分電阻效應(yīng)，為高頻量子器件開發(fā)提供了新范式。其室溫峰電流密度高達(dá)2700μA/μm2，工作頻率高達(dá)11GHz，證明了二維負(fù)微分電阻器件在高速電子領(lǐng)域的應(yīng)用潛力。
 

圖2  二維材料共振隧穿晶體管的峰電流密度和工作頻率
 

　　該論文第一作者為南方科技大學(xué)博士后張子豪，宋愛(ài)民教授為共同通訊作者，南方科技大學(xué)為第一通訊單位。研究得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、深圳市自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的支持。