Com a implantação em larga escala do 5G e a exploração prospectiva da tecnologia 6G, a Internet das Coisas (IoT), a detecção ultrarrápida e os sistemas de comunicação inteligente impuseram exigências sem precedentes à velocidade de operação dos transistores, ou seja, sua frequência de corte precisa ultrapassar o limiar crítico de 1 terahertz (THz). No entanto, os transistores de alta frequência tradicionais, como os transistores de alta mobilidade eletrônica (HEMT) e os transistores bipolares de heterojunção (HBT), têm seu desempenho limitado pelo tempo de trânsito dos portadores no canal ou na região de base do material bulk, dificultando o atendimento às necessidades de aplicação na faixa de terahertz. Nos últimos anos, os transistores verticais de base bidimensional, que utilizam materiais bidimensionais como o grafeno como base, reduzem significativamente o tempo de trânsito vertical dos portadores devido à espessura atômica, mostrando grande potencial na construção de transistores de terahertz. No entanto, os problemas comuns de barreiras de tunelamento quântico e defeitos de interface nesses dispositivos causam dispersão severa dos portadores, limitando seu ganho de corrente e desempenho em alta frequência. Portanto, como superar o gargalo da interface através de novos mecanismos de controle, alcançar alto ganho e aumentar a frequência de corte tornou-se um desafio científico central para o desenvolvimento de transistores verticais de base bidimensional.

Para enfrentar esse desafio, o Instituto de Pesquisa de Metais da Academia Chinesa de Ciências, em colaboração com várias unidades de pesquisa, propôs uma arquitetura inovadora de dispositivo de alta frequência — o transistor de barreira de silício-grafeno-germânio (Si-Graphene-Ge Barristor). Os resultados da pesquisa relacionados foram publicados recentemente na Nature Communications sob o título "A high-frequency silicon-graphene-germanium barristor", marcando um avanço significativo na pesquisa de transistores verticais de base bidimensional de alta frequência.

Este é o primeiro transistor de barreira do mundo a implementar com sucesso funções de teste de radiofrequência. A equipe de pesquisa primeiro cultivou epitaxialmente grafeno monocristalino de camada única em escala de wafer em um substrato de germânio por deposição química de vapor, e então empilhou precisamente uma membrana de silício monocristalino sobre o grafeno, construindo uma heteroestrutura vertical de silício-grafeno-germânio de alta qualidade (conforme mostrado na Figura 1). Esta estrutura utiliza as barreiras Schottky assimétricas formadas nas interfaces do grafeno com o silício e o germânio, combinadas com o efeito de capacitância quântica do grafeno para modular a função trabalho, resultando em uma variação de corrente no lado do germânio muito maior do que no lado do silício, produzindo um ganho de corrente de emissor comum de até 1,8 ✕ 10⁷, o maior registro já relatado para transistores (conforme mostrado na Figura 2). Em termos de desempenho de alta frequência, o transistor alcançou uma frequência de corte intrínseca (f_T) de 132 GHz, superando todos os recordes anteriores de transistores verticais de base bidimensional (conforme mostrado na Figura 3). Análises adicionais de modelagem e simulação de dispositivos indicam que, otimizando a concentração de dopagem do material, reduzindo a resistência de contato e minimizando os efeitos parasitários, a frequência de operação teórica do dispositivo pode ultrapassar 1 THz, entrando na faixa de aplicação de terahertz (conforme mostrado na Figura 4).

Esta pesquisa não apenas estabelece uma base sólida para a aplicação de transistores de barreira em comunicações de radiofrequência e terahertz, mas também fornece um novo caminho tecnológico para o processamento de sinais ultrarrápidos em futuros sistemas de IoT e sensores 6G.

Este trabalho de pesquisa foi liderado pelos pesquisadores Sun Dongming e Liu Chi do Instituto de Pesquisa de Metais da Academia Chinesa de Ciências, e realizado em colaboração com a equipe de Xue Zhongying do Instituto de Microsistemas e Tecnologia da Informação de Xangai, a equipe de Gao Jianjun da Universidade Normal da China Oriental, a equipe de Wang Lingfei do Instituto de Microeletrônica e o pesquisador Song Xubo do Laboratório Nacional Chave de Dispositivos de Micro-ondas de Estado Sólido e Circuitos. Wang Xiaoyue e Qiao Zishen do Instituto de Pesquisa de Metais da Academia Chinesa de Ciências, e Sun Shaotang do Instituto de Microeletrônica são os primeiros co-autores do artigo. Este trabalho de pesquisa recebeu apoio da Fundação Nacional de Ciências Naturais da China, do Programa Nacional de Pesquisa e Desenvolvimento Chave, do Programa de Jovens Cientistas de Destaque da Província de Liaoning, entre outros.Figura 1. Estrutura do dispositivo transistor de silício-grafeno-germânio de alta frequência. a. Wafer de grafeno epitaxial; b. Diagrama esquemático da seção transversal do dispositivo; c. Diagrama expandido da estrutura do dispositivo; d. Imagem de microscopia eletrônica de varredura; e. Imagem óptica do conjunto de dispositivos.

Figura 2. Mecanismo do transistor de barreira e características CC. a. Diagrama de bandas da barreira Schottky assimétrica; b. Características de entrada do dispositivo; c. Características de transferência do dispositivo; d. Variação do ganho de corrente com a tensão de porta; e. Análise estatística do ganho do dispositivo; f. Comparação de ganho com transistores de outros sistemas de materiais.

Figura 3. Características de radiofrequência do transistor de barreira. a. Características de frequência do ganho H₂₁ sob diferentes polarizações; b. Relação entre a frequência de corte do ganho de corrente e a polarização; c. Dependência da frequência de corte com a temperatura; d. Distribuição da frequência de corte para diferentes concentrações de dopagem de germânio; e. Estatística da frequência de corte para diferentes áreas de dispositivo; f. Comparação de desempenho de radiofrequência com outros transistores verticais de base bidimensional.

Figura 4. Modelo físico compacto do transistor de barreira de silício-grafeno-germânio. a. Diagrama esquemático do modelo de capacitância e bandas; b. Variação da frequência de corte com a polarização; c. Variação da frequência de corte com a concentração de dopagem; d. Variação da frequência de corte com a altura da barreira Schottky.

Este resultado mostra que a equipe de pesquisa científica chinesa continua avançando na direção de testes de engenharia para dispositivos de alta frequência baseados em materiais bidimensionais. Os dispositivos baseados em grafeno há muito enfrentam o desafio de conversão de "forte desempenho do material, difícil integração do dispositivo". Este estudo verificou o grafeno monocristalino em escala de wafer, a qualidade da interface de heterojunção e os indicadores de radiofrequência no mesmo sistema, fornecendo uma base experimental mais clara para a exploração futura de dispositivos eletrônicos de terahertz.