石墨烯谐振隧穿晶体管实现高电流密度与高频性能突破

研究人员针对二维量子隧穿负微分电阻(NDR)器件电流密度低(<10μA/μm2)、工作频率受限(<2MHz)的瓶颈，通过设计石墨烯/h-BN/石墨烯谐振隧穿晶体管(RTT)，提出三角形刻蚀工艺抑制寄生电阻，实现室温峰值电流密度2700μA/μm2和11GHz高频操作，为高速电子器件发展提供新范式。

　　

在电子器件微型化的浪潮中，二维材料因其原子级平整表面和无悬挂键特性，成为构建量子隧穿器件的理想平台。负微分电阻(NDR)现象——电流随电压增加而反常减小的特性，是多值逻辑门、存储器和振荡器的核心要素。然而，现有二维NDR器件受限于极低的电流密度，工作频率长期停滞在2MHz以下，与常规III-V族半导体谐振隧穿二极管(RTD)的THz性能相去甚远。这一瓶颈背后的关键矛盾在于：石墨烯作为零带隙、超高迁移率材料本应具备高频潜力，但实验观测到的峰值电流密度仅为III-V器件的十万分之一。

为解决这一难题，由山东大学、深圳大学等机构组成的研究团队在《Nature Communications》发表了突破性成果。研究通过精确调控石墨烯和六方氮化硼(h-BN)的原子层数，结合创新的器件结构设计，首次将二维量子隧穿器件的性能提升至实用化水平。研究采用机械剥离法制备单层/双层石墨烯与1-6层h-BN的范德瓦尔斯异质结，通过"撕裂-堆叠"技术实现晶格取向对准；利用电感耦合等离子体(ICP)刻蚀开发三角形刻蚀工艺；结合四探针测量和传输线模型定量分析寄生电阻；采用共面波导(CPW)设计实现高频测试。

效果与讨论
h-BN势垒层数影响：通过系统比较4层/3层/双层h-BN势垒器件，发现随着势垒变薄，NDR效应逐渐消失。四层h-BN器件展现典型NDR特性（PVR=3.5），而双层器件因隧穿电阻远低于寄生电阻导致NDR湮灭。

刻蚀工艺突破：提出三角形刻蚀方案，将器件有效传输长度控制在L_eff=2√(r_tun/(r_tg+r_bg))范围内。当刻蚀面积从90.2μm²缩减至1.34μm²时，双层h-BN器件的PVR从1.3提升至2.4，证实寄生电阻抑制效果。

系列与传输线电阻模型：建立包含隧穿电阻(r_tun)、接触电阻(r_c)、石墨烯片电阻(r_sg)的定量模型，揭示传输线电阻会导致电流分布不均匀。理论计算与实验数据高度吻合，为器件设计提供指导原则。

高电流密度实现：单层h-BN势垒器件在0.401μm²微区实现2700μA/μm²室温峰值电流密度（9.8K时达3600μA/μm²），较文献记录提升270倍。电流密度随h-BN层数减少呈指数增长，证实原子级薄势垒的优势。

高频性能验证：基于共面波导的器件在-0.65V偏压下，通过矢量网络分析仪(VNA)测得11GHz稳定NDR特性，首次将二维量子器件工作频率推入GHz范畴。

这项研究通过材料-结构-工艺协同创新，解决了二维量子器件低电流密度的核心挑战。提出的三角形刻蚀策略和传输线模型具有普适性，可推广至其他二维材料体系。11GHz的工作频率使石墨烯RTT在太赫兹振荡器、多值逻辑电路等领域展现出应用潜力，为后摩尔时代高速电子器件发展开辟了新路径。