Созданы транзисторы на основе углеродных нанотрубок для высокоскоростных систем беспроводной связи, а также радиолокационных и вычислительных систем

Углеродные нанотрубки (УНТ), представляющие собой цилиндрические наноструктуры из атомов углерода, расположенных в виде гексагональной решётки, оказались перспективными для создания различных электронных устройств. На самом деле эти структуры обладают выдающейся электропроводностью и механической прочностью, что очень благоприятно для разработки транзисторов. В последние годы  инженеры начали использовать углеродные нанотрубки для разработки различной электроники, в том числе полевых транзисторов с изолированным затвором (MOSFET).

Примечательно, что когда матрицы из УНТ используются для разработки МОП-транзисторов, они могут работать на радиочастотах (RF), диапазоне электромагнитных волн, которые поддерживают беспроводную связь. Таким образом, полученные МОП-транзисторы могли бы быть особенно полезны для развития систем и технологий беспроводной связи.

Исследователи из Пекинского университета, Университета Сянтань и Чжэцзянского университета недавно разработали новые полевые МОП-транзисторы на основе углеродных нанотрубок, которые могут эффективно работать на терагерцовых частотах. По сути, это означает, что они могут переключать или усиливать сигналы, которые меняются более триллиона раз в секунду. Новые транзисторы, представленные в статье, опубликованной в Nature Electronics, могут открыть новые возможности для разработки сверхбыстрых систем беспроводной связи, а также высокоскоростных радиолокационных и вычислительных систем.

«Плёнки из ориентированных полупроводниковых углеродных нанотрубок можно использовать для создания дополнительных полевых транзисторов металл-оксид-полупроводник для цифровых интегральных схем и радиочастотных транзисторов для терагерцовых аналоговых интегральных схем», — считают  Цзяньшуо Чжоу, Цзыпэн Пань и их коллеги в своей статье. — «Однако рабочие частоты таких устройств остаются слишком низкими для потенциального применения в шестом поколении беспроводной связи. Мы представляем полевые транзисторы металл-оксид-полупроводник, основанные на выровненных углеродных нанотрубках, и имеющие частоту среза более 1 ТГц».

Обычные кремниевые транзисторы, используемые в современной электронике, могут надёжно обрабатывать сигналы с частотой до 100–300 ГГц. Это означает, что они могут переключать или усиливать сигналы до нескольких сотен миллиардов раз в секунду.

В отличие от них, новые полевые МОП-транзисторы на основе углеродных нанотрубок, исследователями, могут обрабатывать сигналы частотой более 1 ТГц (т. е. 1000 ГГц). Это делает их подходящими для разработки беспроводных технологий шестого поколения (6G) и высокоскоростных систем связи.

«Оптимизируя структуры затвора и процессы изготовления, мы создаем устройства с длиной затвора 80 нм, которые имеют подвижность несущей более 3000 см² В^-1 с^-1, а также ток во включенном состоянии 3,02 мА мкм^-1, пиковую транскондуктивность 1,71 мС мкм^-1 при смещении -1 В и скорость насыщения 3,5 × 10 ⁷ см с^-1«, — пишут авторы.

«Внедрив Y-образный затвор, мы также создали устройства с длиной затвора 35 нм, которые имеют внешнюю частоту среза (f_T) до 551 ГГц и максимальную частоту колебаний (f_max) 1024 ГГц. Наконец, мы используем устройства с длиной затвора 50 нм для создания радиочастотных усилителей миллиметрового диапазона (30 ГГц) с коэффициентом усиления до 21,4 дБ».

Чтобы продемонстрировать потенциал недавно разработанных полевых МОП-транзисторов, исследователи использовали их для создания усилителей радиочастот — электронных схем, повышающих мощность сигналов. Эти усилители, работающие в миллиметровом диапазоне, показали себя с лучшей стороны, надёжно повышая мощность высокочастотных (30 ГГц) сигналов более чем в сто раз.

В целом недавняя работа Чжоу, Пана и их коллег подчёркивает потенциал массивов из углеродных нанотрубок для разработки транзисторов, которые могли бы обеспечить более быструю связь. В будущем разработанные ими полевые МОП-транзисторы можно будет усовершенствовать и использовать для создания сверхскоростных беспроводных передатчиков и приёмников, а также мощных терагерцовых сенсорных технологий и высокоскоростных электронных схем.