【儀表網 研發(fā)快訊】近日，南方科技大學納米科學與應用研究院講席教授宋愛民團隊在高性能二維材料共振隧穿晶體管的制備中取得新進展，相關成果以“Toward high-current-density and high-frequency graphene resonant tunneling transistors”為題發(fā)表在Nature Communications上。
 

　　負微分電阻是一種特殊的電學特性，表現為電流隨電壓升高而減小，這種反常規(guī)行為使其在振蕩器、多值邏輯電路及存儲器等領域展現出獨特應用價值。該現象可通過共振隧穿晶體管等量子隧穿器件實現，其中隧穿結的能帶工程對特性調控起關鍵作用。近年來，二維材料基隧穿器件研究取得顯著進展，得益于這類材料天然的原子級平整表面和無懸掛鍵特性，為構建具有原子層精度的垂直隧穿結提供了理想平臺。然而，在以往的文獻報道中，二維隧穿器件實現的負微分電阻峰電流密度普遍較低(不超過10μA/μm2)，導致了較大的RC和較低的工作頻率(不超過2MHz)，限制了其應用。
 

圖1  二維材料共振隧穿晶體管的結構和輸出特性
 

　　針對高電流密度下負微分電阻特性湮滅的關鍵難題，研究團隊通過精準調控二維異質結界面，系統(tǒng)制備了1-5層原子級h-BN勢壘的Gr/h-BN/Gr垂直結構器件陣列。基于傳輸線模型的定量分析表明，傳統(tǒng)矩形溝道中電極邊緣散射引發(fā)的接觸電阻會完全掩蓋負微分電阻特征。為此，團隊創(chuàng)新開發(fā)三角型等離子體刻蝕結合自對準工藝，形成梯度過渡的錐形電極界面，成功將寄生電阻降低，最終在單層h-BN勢壘中觀測到穩(wěn)定負微分電阻效應，為高頻量子器件開發(fā)提供了新范式。其室溫峰電流密度高達2700μA/μm2，工作頻率高達11GHz，證明了二維負微分電阻器件在高速電子領域的應用潛力。
 

圖2  二維材料共振隧穿晶體管的峰電流密度和工作頻率
 

　　該論文第一作者為南方科技大學博士后張子豪，宋愛民教授為共同通訊作者，南方科技大學為第一通訊單位。研究得到了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金、深圳市自然科學基金等項目的支持。