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基于黑磷的高性能嵌入栅射频晶体管

作者:LTY 发布于:2019年2月21日

基于二维层状半导体材料黑磷,我们制备了射频场效应晶体管,并研究了其在不同温度下的高频响应性能。我们发现,由于黑磷与空气中水氧反应而容易降解。在原子层沉积栅介质HfO2的过程中,前驱体氧源会与黑磷发生反应,在界面生成磷的氧化物POx,导致其顶栅性能相对于背栅,器件性能大幅下降,开态电流下降10倍左右。利用原子层沉积顶栅介质的黑磷晶体管,其截止频率fT = 2.2 GHz,最大震荡频率为fmax = 8 GHz。针对原子层沉积不可避免要用到氧源的缺陷,我们直接采用电子束蒸发直接在黑磷表面沉积2 nm铝。由于铝是活泼金属,2 nm铝很容易就会氧化成约5 nm氧化铝,直接把其作为栅介质。发现采用电子束蒸发铝做的射频器件,其截止频率fT = 3 GHz,最大震荡频率为fmax = 12 GHz,其性能相对于原子层沉积的顶栅晶体管有很大改善,但由于是自然氧化的氧化铝,其中会存在很多的固定电荷或缺陷,限制了与黑磷的界面特性。

此后,我们设计了新颖的嵌入栅结构,即先在衬底上刻蚀凹槽、填充金属、原子层生长栅介质,而后再转移黑磷的办法,有效地避免了沉积栅介质对黑磷的影响,且可以采用原子层沉积高质量的介质层,达到与背栅器件同等的器件性能。采用嵌入栅结构的黑磷射频晶体管,其截止频率fT = 8 GHz,最大震荡频率fmax = 17 GHz。在低温20 K下,其截止频率fT = 13.5 GHz,最大震荡频率fmax = 31 GHz,实现了世界上运行频率最高的黑磷射频晶体管。在这个基础上,我们构建了世界上第一个运行频率达2 GHz的混频电路。


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