高表現石墨烯射頻晶體管

石墨烯具有極高的載流子遷移率，可用于制作高響應速度的射頻器件。射頻晶體管的重要參數之一是截止頻率，一般可通過縮小溝道長度來提高。目前實驗上石墨烯場效應管的溝道長度最小已做到40nm，得到最大截止頻率為300GHz。但是場效應管截止頻率并不總是随溝道長度變小而增大，剪裁縮短到某一極限長度時，受短溝道效應的制約，截止頻率有時候會出現飽和。石墨烯場效應管截止頻率是否也在溝道裁剪縮短到某一極限長度時出現飽和,目前仍然未知。另外目前實驗上制備的短溝道石墨烯場效應管的輸出特性曲線是不飽和的，這大大降低了器件的性能。

凝聚态所呂勁課題組通過第一性原理的量子輸運模拟發現，亞10納米石墨烯晶體管截止頻率依然随溝道長度減小而反比增大，因此可以通過連續縮小石墨烯晶體管的溝道長度提高截止頻率，最高可達幾十太赫茲。如果設法打開石墨烯能隙（可通過六角硼氮片夾單層石墨烯（本組之前工作《NPG Asia Materials》4, e6(2012); http://www.nature.com/doifinder/ 10.1038/am.2012.10）或對雙層石墨烯施加電場），石墨烯晶體管輸出特性曲線會出現非常明顯的電流飽和性質，這将大大提高石墨烯射頻場效應管的電壓赢得和最大震蕩頻率（射頻器件性能表現的另外兩個重要參數），同時太赫茲以上的截止頻率依然能得到保持。該研究為把石墨烯射頻場效應器件表演推向極限提供了理論指導。

相關工作最近發表在自然出版集團新刊《Scientific Reports》上（Sub-10 nm Gate Length Graphene Transistors: Operating at Terahertz Frequencies with Current Saturation, Scientific Reports 3, 1314 (2013); http://www.nature.com/srep/2013/130219/ srep01314/full/ srep01314）。論文的第一作者是beat365前沿交叉學科研究院和beat365博士生鄭家新。合作者有beat365高政祥、史俊傑和俞大鵬教授以及美國内布拉斯加州立大學奧馬哈分校梅維甯教授。

上述研究工作得到了國家重大研究計劃，教育部新世紀人才計劃，國家自然科學基金以及人工微結構與介觀物理國家重點實驗室的支持。