近日，山東大學(xué)集成電路學(xué)院張嘉煒教授課題組在高性能二維材料共振隧穿晶體管的制備中取得重要進(jìn)展，相關(guān)成果以“Toward high-current-density and high-frequency graphene resonant tunneling transistors”為題發(fā)表在Nature Communications(IF：14.7)，集成電路學(xué)院畢業(yè)博士研究生張子豪為論文第一作者，張嘉煒教授和南方科技大學(xué)宋愛(ài)民教授為共同通訊作者。
 

 

　　負(fù)微分電阻是一種特殊的電學(xué)特性，表現(xiàn)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(chǔ)器等領(lǐng)域展現(xiàn)出獨(dú)特應(yīng)用價(jià)值。該現(xiàn)象可通過(guò)共振隧穿晶體管等量子隧穿器件實(shí)現(xiàn)，其中隧穿結(jié)的能帶工程對(duì)特性調(diào)控起關(guān)鍵作用。近年來(lái)，二維材料基隧穿器件研究取得顯著進(jìn)展，得益于這類(lèi)材料天然的原子級(jí)平整表面和無(wú)懸掛鍵特性，為構(gòu)建具有原子層精度的垂直隧穿結(jié)提供了理想平臺(tái)。然而，在以往的文獻(xiàn)報(bào)道中，二維隧穿器件實(shí)現(xiàn)的負(fù)微分電阻峰電流密度普遍較低(不超過(guò)10 μA/μm2)，導(dǎo)致了較大的RC和較低的工作頻率(不超過(guò)2 MHz)，限制了其應(yīng)用。
 

　　針對(duì)高電流密度下負(fù)微分電阻特性湮滅的關(guān)鍵難題，研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)精準(zhǔn)調(diào)控二維異質(zhì)結(jié)界面，系統(tǒng)制備了1-5層原子級(jí)h-BN勢(shì)壘的Gr/h-BN/Gr垂直結(jié)構(gòu)器件陣列。基于傳輸線(xiàn)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(huì)完全掩蓋負(fù)微分電阻特征。為此，團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新開(kāi)發(fā)三角型等離子體刻蝕結(jié)合自對(duì)準(zhǔn)工藝，形成梯度過(guò)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(shì)壘中觀(guān)測(cè)到穩(wěn)定負(fù)微分電阻效應(yīng)，為高頻量子器件開(kāi)發(fā)提供了新范式。其室溫峰電流密度高達(dá)2700 μA/μm2，工作頻率高達(dá)11 GHz，證明了二維負(fù)微分電阻器件在高速電子領(lǐng)域的應(yīng)用潛力。
 

　　張嘉煒教授團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期致力于二維材料及其電子器件的研究。在前期研究工作中，團(tuán)隊(duì)提出并實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了一種使用暗場(chǎng)光學(xué)顯微技術(shù)判別二維材料原子層數(shù)的通用方法，制備了高峰谷比的石墨烯共振隧穿晶體管，為本研究奠定了基礎(chǔ)。
 

　　本研究得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(2022YFA1405200、2022YFB3603900)、國(guó)家自然科學(xué)基金 (62074094、62204143)、山東省自然科學(xué)基金 (ZR2022ZD04、ZR2022ZD05) 等項(xiàng)目的支持。