基于黑磷的高性能嵌入栅射频晶体管

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PO_x，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f_T = 2.2 GHz，最大震荡频率为f_max = 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f_T = 3 GHz，最大震荡频率为f_max = 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f_T = 8 GHz，最大震荡频率f_max = 17 GHz。在低温20 K下，其截止频率f_T = 13.5 GHz，最大震荡频率f_max = 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。