高表现石墨烯射频晶体管

石墨烯具有极高的载流子迁移率，可用于制作高响应速度的射频器件。射频晶体管的重要参数之一是截止频率，一般可通过缩小沟道长度来提高。目前实验上石墨烯场效应管的沟道长度最小已做到40nm，得到最大截止频率为300GHz。但是场效应管截止频率并不总是随沟道长度变小而增大，剪裁缩短到某一极限长度时，受短沟道效应的制约，截止频率有时候会出现饱和。石墨烯场效应管截止频率是否也在沟道裁剪缩短到某一极限长度时出现饱和,目前仍然未知。另外目前实验上制备的短沟道石墨烯场效应管的输出特性曲线是不饱和的，这大大降低了器件的性能。

凝聚态所吕劲课题组通过第一性原理的量子输运模拟发现，亚10纳米石墨烯晶体管截止频率依然随沟道长度减小而反比增大，因此可以通过连续缩小石墨烯晶体管的沟道长度提高截止频率，最高可达几十太赫兹。如果设法打开石墨烯能隙（可通过六角硼氮片夹单层石墨烯（本组之前工作《NPG Asia Materials》4, e6(2012); http://www.nature.com/doifinder/ 10.1038/am.2012.10）或对双层石墨烯施加电场），石墨烯晶体管输出特性曲线会出现非常明显的电流饱和性质，这将大大提高石墨烯射频场效应管的电压赢得和最大震荡频率（射频器件性能表现的另外两个重要参数），同时太赫兹以上的截止频率依然能得到保持。该研究为把石墨烯射频场效应器件表演推向极限提供了理论指导。

相关工作最近发表在自然出版集团新刊《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）。论文的第一作者是6163银河线路检测中心前沿交叉学科研究院和6163银河线路检测中心博士生郑家新。合作者有6163银河线路检测中心高政祥、史俊杰和俞大鹏教授以及美国内布拉斯加州立大学奥马哈分校梅维宁教授。

上述研究工作得到了国家重大研究计划，教育部新世纪人才计划，国家自然科学基金以及人工微结构与介观物理国家重点实验室的支持。