Con el despliegue a gran escala de 5G y la exploración prospectiva de la tecnología 6G, el Internet de las Cosas (IoT), la detección ultrarrápida y los sistemas de comunicación inteligentes imponen requisitos sin precedentes sobre la velocidad de operación de los transistores, exigiendo que su frecuencia de corte supere el umbral crítico de 1 terahercio (THz). Sin embargo, los transistores de alta frecuencia tradicionales, como los transistores de alta movilidad de electrones (HEMT) y los transistores bipolares de heterounión (HBT), tienen su rendimiento limitado por el tiempo de tránsito de los portadores en el canal o en la región base del material volumétrico, lo que dificulta satisfacer las demandas de aplicación en la banda de terahercios. En los últimos años, los transistores verticales de base bidimensional, que utilizan materiales bidimensionales como el grafeno como base, aprovechan su grosor a escala atómica para reducir drásticamente el tiempo de tránsito vertical de los portadores, mostrando un gran potencial para construir transistores de terahercios. No obstante, los problemas comunes de barreras de túnel cuántico y defectos interfaciales en estos dispositivos provocan una grave dispersión de portadores, limitando así su ganancia de corriente y rendimiento de alta frecuencia. Por lo tanto, superar el cuello de botella interfacial mediante nuevos mecanismos de regulación para lograr alta ganancia y mejorar la frecuencia de corte se ha convertido en un desafío científico central para el desarrollo de transistores verticales de base bidimensional.

Para abordar este desafío, el Instituto de Investigación de Metales de la Academia China de Ciencias, en colaboración con múltiples unidades de investigación, ha propuesto una arquitectura innovadora de dispositivo de alta frecuencia: el transistor de barrera de silicio-grafeno-germanio (Si-Graphene-Ge Barristor). Los resultados de la investigación relacionados se publicaron recientemente en Nature Communications bajo el título "A high-frequency silicon-graphene-germanium barristor", marcando un avance significativo en la investigación de transistores verticales de base bidimensional de alta frecuencia.

Este es el primer transistor de barrera a nivel internacional que logra con éxito funciones de prueba de radiofrecuencia. El equipo de investigación primero cultivó epitaxialmente grafeno monocapa monocristalino a escala de oblea sobre un sustrato de germanio mediante deposición química de vapor, y luego apiló con precisión una película de silicio monocristalino sobre el grafeno, construyendo una heteroestructura vertical de silicio-grafeno-germanio de alta calidad (como se muestra en la Figura 1). Esta estructura aprovecha las barreras de Schottky asimétricas formadas en las interfaces entre el grafeno y el silicio, y entre el grafeno y el germanio, combinadas con el efecto de capacitancia cuántica del grafeno para modular la función de trabajo, lo que hace que la variación de corriente en el lado del germanio sea mucho mayor que en el lado del silicio, generando así una ganancia de corriente en modo emisor común de hasta 1.8 ✖ 10⁷, el récord más alto reportado hasta ahora entre los transistores (como se muestra en la Figura 2). En términos de rendimiento de alta frecuencia, este transistor alcanzó una frecuencia de corte intrínseca (f_T) de 132 GHz, superando el récord anterior de todos los transistores verticales de base bidimensional (como se muestra en la Figura 3). Un análisis adicional de modelado y simulación del dispositivo indica que, mediante la optimización de la concentración de dopaje del material, la reducción de la resistencia de contacto y la minimización de los efectos parásitos, la frecuencia de operación teórica de este dispositivo podría superar 1 THz, ingresando en la banda de aplicación de terahercios (como se muestra en la Figura 4).

Esta investigación no solo sienta una base sólida para la aplicación de transistores de barrera en los campos de radiofrecuencia y comunicaciones de terahercios, sino que también proporciona una nueva ruta tecnológica para el procesamiento de señales ultrarrápidas en futuros sistemas de IoT y sensores 6G.

Este trabajo de investigación fue liderado por los investigadores Sun Dongming y Liu Chi del Instituto de Investigación de Metales de la Academia China de Ciencias, y se completó en colaboración con el equipo de Xue Zhongying del Instituto de Microsistemas y Tecnología de la Información de Shanghái, el equipo de Gao Jianjun de la Universidad Normal del Este de China, el equipo de Wang Lingfei del Instituto de Microelectrónica, y el investigador Song Xubo del Laboratorio Clave Nacional de Dispositivos de Microondas de Estado Sólido y Circuitos. Wang Xiaoyue y Qiao Zishen del Instituto de Investigación de Metales de la Academia China de Ciencias, y Sun Shaotang del Instituto de Microelectrónica son los primeros coautores del artículo. Este trabajo de investigación recibió financiamiento de múltiples fuentes, incluido el Fondo Nacional de Ciencias Naturales de China, el Programa Nacional Clave de Investigación y Desarrollo, y el Programa de Jóvenes Distinguidos de la Provincia de Liaoning.Figura 1. Estructura del dispositivo del transistor de silicio-grafeno-germanio de alta frecuencia. a. Oblea de grafeno epitaxial; b. Diagrama esquemático de la sección transversal del dispositivo; c. Diagrama expandido de la estructura del dispositivo; d. Imagen de microscopía electrónica de barrido; e. Imagen óptica del conjunto de dispositivos.

Figura 2. Mecanismo del transistor de barrera y características de corriente continua. a. Diagrama de bandas de la barrera de Schottky asimétrica; b. Características de entrada del dispositivo; c. Características de transferencia del dispositivo; d. Variación de la ganancia de corriente con el voltaje de puerta; e. Análisis estadístico de la ganancia del dispositivo; f. Comparación de ganancia con transistores de otros sistemas de materiales.

Figura 3. Características de radiofrecuencia del transistor de barrera. a. Características de frecuencia de la ganancia H₂₁ bajo diferentes voltajes de polarización; b. Relación entre la frecuencia de corte de la ganancia de corriente y el voltaje de polarización; c. Dependencia de la frecuencia de corte con la temperatura; d. Distribución de la frecuencia de corte para diferentes concentraciones de dopaje de germanio; e. Estadísticas de la frecuencia de corte para diferentes áreas del dispositivo; f. Comparación del rendimiento de radiofrecuencia con otros transistores verticales de base bidimensional.

Figura 4. Modelo físico compacto del transistor de barrera de silicio-grafeno-germanio. a. Diagrama esquemático del modelo de capacitancia y bandas; b. Variación de la frecuencia de corte con el voltaje de polarización; c. Variación de la frecuencia de corte con la concentración de dopaje; d. Variación de la frecuencia de corte con la altura de la barrera de Schottky.

Este resultado muestra que el equipo de investigación científica chino continúa avanzando hacia la etapa de pruebas de ingeniería en el campo de los dispositivos de alta frecuencia basados en materiales bidimensionales. Los dispositivos basados en grafeno han enfrentado durante mucho tiempo el desafío de transformación de "materiales con propiedades fuertes, pero integración de dispositivos difícil". Este estudio verifica el grafeno monocristalino a escala de oblea, la calidad de la interfaz de la heterounión y los indicadores de radiofrecuencia dentro del mismo sistema, proporcionando una base experimental más clara para la exploración futura de dispositivos electrónicos de terahercios.