中科院金属所研制出国际首款射频测试硅-石墨烯-锗势垒晶体管，截止频率132GHz刷新世界纪录

6月6日，国际学术期刊《自然·通讯》（Nature Communications）在线发表了中国科学院金属研究所孙东明、刘驰团队联合多家科研单位的研究成果。团队成功研制出国际上首款实现射频测试的硅-石墨烯-锗势垒晶体管（Si-Graphene-Ge Barristor），该器件刷新了垂直二维基区晶体管的截止频率纪录，并创造了晶体管电流增益的世界最高值。

传统晶体管已触及物理天花板

随着5G规模化部署与6G技术前瞻性探索加速，物联网（IoT）、超高速传感及智能通信系统对晶体管的运行速度提出了前所未有的要求——其截止频率需突破1太赫兹（THz）的关键门槛。

然而，传统高频晶体管如高电子迁移率晶体管（HEMT）和异质结双极型晶体管（HBT），其性能受限于载流子在沟道或体材料基区中的渡越时间，难以满足太赫兹频段的应用需求。

近年来，垂直二维基区晶体管采用石墨烯等二维材料作为基区，凭借原子级厚度大幅缩短载流子的垂直渡越时间，在构筑太赫兹晶体管方面展现出巨大潜力。但该类器件普遍存在量子隧穿势垒与界面缺陷问题，导致严重的载流子散射，从而限制其电流增益与高频性能。如何通过新型调控机制克服界面瓶颈，已成为发展垂直二维基区晶体管的核心科学挑战。

硅-石墨烯-锗"三明治"结构

针对这一难题，联合团队提出了一种创新性的高频器件架构——硅-石墨烯-锗势垒晶体管。

图1. 高频硅-石墨烯-锗晶体管器件结构。a. 外延石墨烯晶圆；b. 器件截面示意图；c. 器件结构展开图；d. 扫描电子显微镜图像；e. 器件阵列光学图像。

研究团队首先在锗衬底上通过化学气相沉积外延生长了晶圆级单晶单层石墨烯，随后将单晶硅膜精确堆叠于石墨烯之上，构筑了高质量的硅-石墨烯-锗垂直异质结构。

该结构的核心机制在于：利用石墨烯与硅、锗界面处形成的不对称肖特基势垒，并结合石墨烯的量子电容效应进行功函数调控，使得锗端电流的变化幅度远大于硅端，从而产生了高达1.8×10⁷的共射极电流增益——这是目前已报道晶体管中的最高纪录。

图2. 势垒晶体管机制和直流特性。a. 不对称肖特基势垒能带图；b. 器件输入特性；c. 器件转移特性；d. 电流增益随栅压的变化；e. 器件增益统计分析；f. 与其他材料体系晶体管的增益对标。

在高频性能方面，该晶体管实现了132 GHz的本征截止频率（fT），超越了此前所有垂直二维基区晶体管的最高水平。

图3. 势垒晶体管射频特性。a. 不同偏压下增益H21频率特性；b. 电流增益截止频率与偏压关系；c. 截止频率的温度依赖性；d. 不同锗掺杂浓度下截止频率分布；e. 不同器件面积的截止频率统计；f. 与其他垂直二维基区晶体管的射频性能对标。 

这一实测数据标志着该类器件首次从实验室原理验证走向射频工程化测试，为势垒晶体管在射频与太赫兹通信领域的实际应用奠定了关键基础。

优化后有望突破1THz，进入太赫兹频段

进一步的器件建模与仿真分析表明，通过优化材料掺杂浓度、降低接触电阻及缩减寄生效应，该器件的理论工作频率有望突破1 THz，正式进入太赫兹应用频段。

太赫兹频段（0.1-10THz）被视为6G通信、超高分辨率成像、无损检测、深空通信等前沿领域的"黄金频段"。一旦晶体管工作频率突破1THz，将为未来物联网与6G传感系统的超高速信号处理提供全新的技术路径。

图4. 硅-石墨烯-锗势垒晶体管的紧凑物理模型。a. 电容模型和能带示意图；b. 截止频率随偏压的变化；c. 截止频率随掺杂浓度的变化；d. 截止频率随肖特基势垒高度的变化。

应用意义 

该研究不仅为势垒晶体管在射频与太赫兹通信领域的应用奠定了坚实基础，也为未来物联网、6G传感系统及超高速信号处理开辟了全新的技术路径。

从晶圆级石墨烯外延生长，到硅膜精确堆叠，再到射频性能实测与理论建模，中国科研团队完成了一次从材料制备、器件架构到性能验证的全链条创新。在6G标准制定进入关键窗口期的当下，这一突破为我国在下一代通信核心器件领域抢占技术制高点提供了重要支撑。