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引言：6G時代呼喚新型半導(dǎo)體材料
隨著6G時代的到來，現(xiàn)代通信技術(shù)對半導(dǎo)體射頻器件提出了更為嚴(yán)苛的要求：
更低延時：信息傳輸速度需達到前所未有的高度。
更大功率：支持更遠(yuǎn)距離、更高速率的數(shù)據(jù)傳輸。
更高速度：滿足海量數(shù)據(jù)傳輸需求。
更大帶寬：容納更多設(shè)備同時接入網(wǎng)絡(luò)。
然而，傳統(tǒng)硅基器件受限于材料本征特性，難以滿足上述需求：
載流子遷移率有限：難以實現(xiàn)更高的頻率和更快的開關(guān)速度。
擊穿電壓不足：難以在高功率應(yīng)用中保持穩(wěn)定。
集成度提升困難：難以實現(xiàn)更小尺寸、更低功耗的器件。
材料和器件示意圖: (a) 單晶金剛石襯底和金剛石 MOSFET 結(jié)構(gòu)圖; (b) 單層及多層石墨烯光學(xué)圖和石墨烯 MOS‐FET 結(jié)構(gòu)圖; (c) 陣列碳納米管 101.6 mm（4 英寸）晶圓材料和碳納米管 MOSFET 結(jié)構(gòu)圖???圖源：論文
? ?碳基材料：后摩爾時代的希望之光
為了突破傳統(tǒng)硅基材料的瓶頸，碳基材料憑借其獨特的物理化學(xué)性質(zhì)，成為“后摩爾時代”備受矚目的半導(dǎo)體材料之一，主要包括以下三種：
1. 三維金剛石：終極半導(dǎo)體材料
(一) 優(yōu)異特性：
超寬帶隙 (5.4 eV)：本征載流子濃度極低，器件可在更高溫度下工作。
耐高溫：在高溫環(huán)境下仍能保持穩(wěn)定性能，彌補傳統(tǒng)材料在大功率高溫場景下的不足。
深耗盡特性：在高反向偏壓下形成深耗盡區(qū)，擊穿電壓更高，漏電流更低，效率更高。
超高熱導(dǎo)率 (2000 W/m·K)：可快速散熱，降低器件工作溫度，提高可靠性。
超高載流子遷移率：
電子/空穴遷移率：4500/3800 cm2/(V·s)
飽和速度：2.5×10? cm/s
相比傳統(tǒng)硅鍺材料，速度優(yōu)勢明顯。
(二) 制備挑戰(zhàn)：
大尺寸高質(zhì)量單晶金剛石生長困難：
CVD法：可實現(xiàn)大尺寸襯底制備，但位錯缺陷密度較高。
HPHT法：可實現(xiàn)低位錯密度，但難以實現(xiàn)大尺寸晶圓級制備。
外延生長：存在晶格常數(shù)不匹配問題，導(dǎo)致缺陷密度高。
摻雜難題：
n型摻雜：常見摻雜元素?(N、P)?形成較深施主能級，常溫下難以電離，且摻雜原子在金剛石晶格中穩(wěn)定性差，引入大量缺陷。
p型摻雜：B摻雜相對成熟，但n型金剛石制備仍面臨挑戰(zhàn)。
表面終端處理技術(shù)有待提升：氫終端金剛石?(H-diamond)?表面p型導(dǎo)電性依賴于外界環(huán)境，如何提升其高溫穩(wěn)定性至關(guān)重要。
(三) 射頻器件應(yīng)用現(xiàn)狀：
高溫高功率應(yīng)用優(yōu)勢明顯：
金剛石MOSFET 在 450°C 下仍能保持良好穩(wěn)定性。
氫終端金剛石MOSFET 在高溫下表現(xiàn)出優(yōu)異的電學(xué)性能。
射頻性能優(yōu)異：
柵長 100 nm 的金剛石MOSFET 電流截止頻率 fT 和最高振蕩頻率 fmax 分別達到 45 GHz 和 120 GHz。
柵長 50 nm 的金剛石MOSFET fT 達到 53 GHz。
氫終端金剛石MESFET fmax 達到 103 GHz。
高功率輸出能力突出：
柵長 450 nm 的氫終端金剛石MOSFET 在 2 GHz 下獲得 1.04 W/mm 的輸出功率密度。
采用 T 型柵結(jié)構(gòu)和 Al2O3/Si3N4 雙層介質(zhì)鈍化的金剛石MOSFET 在 10 GHz 下實現(xiàn) 2.1 W/mm 的超高輸出功率密度。
(四) 未來展望：
材料制備：
突破大尺寸、高質(zhì)量單晶金剛石生長技術(shù)。
提升摻雜效率，特別是 n 型金剛石制備技術(shù)。
器件工藝：
改善金剛石與柵介質(zhì)界面質(zhì)量，降低界面態(tài)密度，提升載流子遷移率。
開發(fā)更穩(wěn)定的表面終端處理技術(shù)。
2. 二維石墨烯：高頻領(lǐng)域的明星材料
(一) 獨特性質(zhì)：
超薄結(jié)構(gòu)：有效降低寄生電容和電阻，擁有更好的高頻響應(yīng)能力。
超高載流子遷移率 (>100,000 cm2/(V·s))：?接近理論值，在射頻領(lǐng)域極具應(yīng)用潛力。
零帶隙特性：
優(yōu)點：?在頻率變換（倍頻、混頻等）方面具有獨特優(yōu)勢。
缺點：?難以實現(xiàn)良好的開關(guān)比，限制了在功率放大器等領(lǐng)域的應(yīng)用。
(二) 制備方法：
自上而下：
機械剝離：?制備的石墨烯質(zhì)量高，但產(chǎn)量低，難以大規(guī)模應(yīng)用。
液相剝離：?難以控制石墨烯層數(shù)和均勻性。
電化學(xué)剝離：?可實現(xiàn)層間剝離，但可能引入雜質(zhì)。
自下而上：
CVD法：?可制備大面積高質(zhì)量石墨烯，但轉(zhuǎn)移過程可能造成污染和損傷。
SiC 高溫升華法：?可直接生長高質(zhì)量石墨烯，但成本較高。
(三) 射頻器件應(yīng)用現(xiàn)狀：
射頻晶體管性能優(yōu)異：
首個石墨烯MOSFET 截止頻率 fT 達到 14.7 GHz。
柵長 67 nm 的石墨烯MOSFET fT 達到 427 GHz。
金屬 Au 覆蓋轉(zhuǎn)移結(jié)合 T 型柵工藝的石墨烯射頻晶體管 fmax 達到 200 GHz。
射頻電路應(yīng)用：
倍頻器：?利用石墨烯雙極性特點，可實現(xiàn)高效的二倍頻和四倍頻。
混頻器：?可實現(xiàn)高效的頻率轉(zhuǎn)換，例如 24 dB 損耗的下變頻混頻器。
(四) 未來展望：
材料制備：提升大尺寸、高質(zhì)量石墨烯的制備工藝，包括生長、轉(zhuǎn)移和清洗工藝。
帶隙調(diào)控：開發(fā)更有效的帶隙打開方法，擴展石墨烯MOSFET 在射頻領(lǐng)域的應(yīng)用范圍。
器件工藝：降低接觸電阻、柵電阻和寄生電容，進一步提升器件性能。
3. 準(zhǔn)一維碳納米管：CMOS架構(gòu)的先鋒材料
(一) 獨特性質(zhì)：
超高載流子遷移率 (100,000 cm2/(V·s))?和?超薄體 (1~3 nm)：?有望延續(xù)摩爾定律的發(fā)展。
帶隙多樣：
寬帶隙碳納米管：?開關(guān)比大，可用于數(shù)字邏輯電路。
窄帶隙碳納米管：?具有雙極性，可用于頻率變換應(yīng)用。
CMOS架構(gòu)優(yōu)勢：?可實現(xiàn)高集成度電路設(shè)計。
(二) 射頻器件應(yīng)用現(xiàn)狀：
射頻晶體管性能優(yōu)異：
首個碳納米管射頻晶體管 fT/fmax 達到 8 GHz/10 GHz。
碳納米管薄膜射頻晶體管 fT-int 達到 30 GHz。
碳納米管陣列射頻晶體管 fT/fmax 達到 100 GHz/70 GHz。
碳納米管網(wǎng)絡(luò)射頻晶體管 fmax 首次超過 100 GHz。
射頻電路應(yīng)用：
倍頻器：?可實現(xiàn)高效的倍頻功能，例如利用雙極性特點實現(xiàn) 2 kHz 輸出信號。
放大器：?碳納米管射頻晶體管在功率放大和線性度方面展現(xiàn)出應(yīng)用潛力。
混頻器：?可實現(xiàn)高效的頻率轉(zhuǎn)換，例如 200 GHz W MMIC 混頻器。
(三) 未來展望：
材料制備：突破大尺寸?(?>203.2 mm )、高純度?(?>99.9999%?)、高密度?(?>200?根/微米?)、高取向和低缺陷的碳納米管材料制備技術(shù)。
器件工藝：提升碳納米管與高k 柵介質(zhì)界面質(zhì)量，降低界面態(tài)密度。
解決溝道區(qū)域電阻較高的問題，例如通過摻雜或改進柵結(jié)構(gòu)實現(xiàn)間隙區(qū)碳納米管低阻化，同時避免引入過多散射。
? ?總結(jié)
碳基材料以其優(yōu)異的電學(xué)性能和獨特的物理化學(xué)性質(zhì)，為射頻電子器件的發(fā)展帶來了新的機遇：
金剛石：?在高壓、高溫和大功率應(yīng)用領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大潛力。
石墨烯：?在高頻和頻率變換方面具有獨特優(yōu)勢。
碳納米管：?在高頻器件和CMOS 架構(gòu)應(yīng)用方面具有廣闊前景。
然而，要實現(xiàn)碳基射頻電子器件的進一步發(fā)展和產(chǎn)業(yè)化，仍需在材料生長、器件制備和工藝優(yōu)化等方面進行更深入的研究。
碳基射頻電子器件，未來通信技術(shù)的變革先鋒！?讓我們共同期待碳基材料在 6G 時代大放異彩！由DT新材料舉辦的2025（第五屆）碳基半導(dǎo)體材料與器件產(chǎn)業(yè)發(fā)展論壇（CarbonSemi 2025）將會上述文中所提到的
