基于硅-石墨烯-锗异质结构的热电子晶体管器件研究

Hot electron transistors are very suitable for high-frequency applications since the high energy of the hot electrons. The traditional structure is “emitter metal / insulator / base metal / insulator / collector metal”. The performance of hot electron transistors has been limited by the inhibiting effect of the base metal and insulator materials. Graphene is an ideal base material for the ultra-thin thickness and ultra-high mobility, while Schottky junctions are ideal for the emitter and collector junctions because of the relatively lower barrier heights. To fully utilize the advantages of graphene and Schottky junctions, this project will begin with the investigation of silicon-graphene and graphene-germanium Schottky junctions. Via the semiconductor transfer technique, the hetero-structures of silicon-graphene-germanium will be designed and fabricated, based on which electrical characteristics of the hot electron transistor will be systematically studied. The effect of the material quality of bulk, surfaces and interfaces on the electrical characteristics of the transistor will be elaborated. Hot electron transistors with high current and gain for high-frequency applications will be fabricated. The realization of this project will open up new doors for the fabrication of high-performance hot electron transistors and show instructions for the breakthrough of graphene applications in electronic devices.

热电子晶体管由于具有较高能量的热电子而非常适合于实现高速器件，其传统器件结构是发射极金属-绝缘体-基极金属-绝缘体-集电极金属。由于基极金属和绝缘体材料对电子传输的抑制作用，目前获得的热电子晶体管未能展现出理想性能。石墨烯具有极薄的厚度和极高的迁移率，是理想的基极材料；肖特基结具有较低的势垒高度，可构建出理想的发射结和集电结。本项目将充分发挥石墨烯和肖特基结的性能优势，从硅-石墨烯、石墨烯-锗肖特基结的性能研究出发，采用半导体转移技术，设计并构筑硅-石墨烯-锗异质结构，系统开展基于该结构的热电子晶体管的电学性能研究，阐明材料内部、表面和界面性质对器件电流、增益等电学性能的影响机制，构建出应用于高频领域的大电流、高增益的热电子晶体管器件，为设计和实现高性能热电子晶体管开辟一条新路，将对石墨烯在电子器件领域实现突破性应用提供指导。

1947年，第一个双极结型晶体管（BJT）诞生于贝尔实验室，标志着人类社会进入了信息技术的新时代。在过去的几十年里，提高BJT的工作频率一直是人们不懈的追求，异质结双极型晶体管（HBT）和热电子晶体管（HET）等高速器件相继被研究报道。然而，当需要进一步提高频率时，这些器件遭遇了瓶颈。最近，人们提出使用石墨烯作为基区材料制备晶体管，然而已报道的石墨烯基区晶体管（GBT）普遍采用隧穿发射结，其势垒高度严重限制了该晶体管作为高速电子器件的发展前景。本项目通过硅、锗半导体-石墨烯肖特基结的构筑与性能研究和基于硅-石墨烯-锗异质结的热电子晶体管的构筑与性能研究，首次制备出以肖特基结作为发射结的垂直结构的硅-石墨烯-锗晶体管，其硅-石墨烯肖特基结表现出目前GBT最大的开态电流（692 A cm-2 @ 5V）和最小的发射结电容（41 nF cm-2），从而得到最短的发射结充电时间（118 ps），使器件总延迟时间缩短了1000倍以上（128 ps），可将器件的截止频率由约1.0 MHz提升至1.2 GHz。通过使用掺杂较重的锗衬底，实现了共基极增益接近于1且功率增益大于1的晶体管。通过基于实验数据的建模发现该器件具备了工作于太赫兹领域的潜力。本项目研究结果极大地提升了石墨烯基区晶体管的性能，为未来最终实现超高速晶体管奠定了基础，相关结果在《自然·通讯》上在线发表，并被评选为该期刊2019年发表的5500余篇论文中“最受关注的前50篇物理类论文”之一。