山东大学集成电路学院张嘉炜教授团队在二维共振隧穿晶体管方面取得新进展

　　【仪表网 研发快讯】近日，山东大学集成电路学院张嘉炜教授课题组在高性能二维材料共振隧穿晶体管的制备中取得重要进展，相关成果以“Toward high-current-density and high-frequency graphene resonant tunneling transistors”为题发表在Nature Communications(IF：14.7)，集成电路学院毕业博士研究生张子豪为论文第一作者，张嘉炜教授和南方科技大学宋爱民教授为共同通讯作者。
 

 

　　负微分电阻是一种特殊的电学特性，表现为电流随电压升高而减小，这种反常规行为使其在振荡器、多值逻辑电路及存储器等领域展现出独特应用价值。该现象可通过共振隧穿晶体管等量子隧穿器件实现，其中隧穿结的能带工程对特性调控起关键作用。近年来，二维材料基隧穿器件研究取得显著进展，得益于这类材料天然的原子级平整表面和无悬挂键特性，为构建具有原子层精度的垂直隧穿结提供了理想平台。然而，在以往的文献报道中，二维隧穿器件实现的负微分电阻峰电流密度普遍较低(不超过10 μA/μm2)，导致了较大的RC和较低的工作频率(不超过2 MHz)，限制了其应用。
 

　　针对高电流密度下负微分电阻特性湮灭的关键难题，研究团队通过精准调控二维异质结界面，系统制备了1-5层原子级h-BN势垒的Gr/h-BN/Gr垂直结构器件阵列。基于传输线模型的定量分析表明，传统矩形沟道中电极边缘散射引发的接触电阻会完全掩盖负微分电阻特征。为此，团队创新开发三角型等离子体刻蚀结合自对准工艺，形成梯度过渡的锥形电极界面，成功将寄生电阻降低，最终在单层h-BN势垒中观测到稳定负微分电阻效应，为高频量子器件开发提供了新范式。其室温峰电流密度高达2700 μA/μm2，工作频率高达11 GHz，证明了二维负微分电阻器件在高速电子领域的应用潜力。
 

　　张嘉炜教授团队长期致力于二维材料及其电子器件的研究。在前期研究工作中，团队提出并实验验证了一种使用暗场光学显微技术判别二维材料原子层数的通用方法，制备了高峰谷比的石墨烯共振隧穿晶体管，为本研究奠定了基础。
 

　　本研究得到了国家重点研发计划(2022YFA1405200、2022YFB3603900)、国家自然科学基金 (62074094、62204143)、山东省自然科学基金 (ZR2022ZD04、ZR2022ZD05) 等项目的支持。