Transistors radiofréquence basés sur des réseaux de nanotubes de carbone de haute pureté

Transistors radiofréquence basés sur des réseaux de nanotubes de carbone de haute pureté

Crédit : Shi et al.

La plupart des technologies de communication sans fil de nouvelle génération nécessitent des dispositifs radiofréquence intégrés pouvant fonctionner à des fréquences supérieures à 90 GHz. Deux des semi-conducteurs les plus largement utilisés pour fabriquer des dispositifs à radiofréquence sont les transistors à effet de champ (FET) à base de silicium complémentaire métal-oxyde-semiconducteur (CMOS) et les transistors à base de semi-conducteurs composés III-V, en particulier GaAs.

Cependant, ces deux technologies RF à semi-conducteurs ne sont pas capables d’atteindre simultanément des fréquences de fonctionnement élevées et sont faciles à intégrer dans les technologies de communication sans fil. Un candidat prometteur pour le développement de FET à grande vitesse (jusqu’à des fréquences térahertz) sont les nanotubes de carbone à paroi unique (CNT) semi-conducteurs, en raison de leurs propriétés électroniques et physiques favorables. Remarquablement, les exigences matérielles des CNT pour la fabrication de dispositifs RF analogiques et numériques sont presque les mêmes.

Des chercheurs de l’Université de Pékin en Chine ont récemment fabriqué de nouveaux transistors RF basés sur des réseaux CNT alignés. Ces transistors, présentés dans un article publié dans Nature Électronique, ont été créés à l’aide de deux méthodes distinctes, un tri à double dispersion et un processus d’alignement d’interface liquide binaire.

« Les FET CNT pourraient atteindre de meilleures performances pour les applications SoC que les technologies basées sur le silicium et les semi-conducteurs composés III-V », a déclaré à TechXplore Lianmao Peng, l’un des chercheurs qui a mené l’étude. « Cependant, la vitesse et le gain des FET CNT sont toujours en retard sur les prédictions théoriques. »

La vitesse des FET à base de CNT a jusqu’à présent été limitée et insatisfaisante, principalement en raison d’un manque de réseaux CNT semi-conducteurs bien alignés avec une densité appropriée, une uniformité élevée, une pureté semi-conductrice élevée et une mobilité élevée des porteurs. Pour surmonter ces défis et développer des dispositifs RF CNT hautement performants, les chercheurs ont décidé d’adapter la structure des matériaux CNT.

Pour fabriquer leurs transistors RF, Peng et ses collègues ont principalement utilisé deux procédés connus sous le nom de lithographie par faisceau d’électrons (EBL) et de dépôt de couche atomique (ALD). Ils ont ensuite terminé la préparation de chacune des couches fonctionnelles des dispositifs à l’aide d’autres équipements de nano-fabrication, via ce que l’on appelle un processus de décollage descendant.

« Nous avons obtenu des réseaux CNT pour une application radiofréquence grâce à une procédure d’auto-assemblage confiné à l’interface liquide binaire (BLIS) à double dispersion et binaire et avons réalisé la fabrication de dispositifs et d’amplificateurs radiofréquences hautement performants basés sur des réseaux CNT », a déclaré Peng. « En ce qui concerne nos objectifs principaux, nous souhaitions explorer le potentiel de la fréquence limite supérieure, le gain de puissance et le potentiel de performance de linéarité des transistors et amplificateurs à matrice CNT dans les conditions expérimentales. »

Les réseaux de nanotubes développés par Peng et ses collègues ont une densité d’environ 120 nanotubes par micromètre, présentant une mobilité de porteur de 1 580 cm2V-1s-1 et une vitesse de saturation jusqu’à 3.0×107 cm s-1. À l’aide de ces réseaux de nanotubes, les chercheurs ont fabriqué des FET qui ont atteint des performances élevées en courant continu lorsqu’ils fonctionnent à des fréquences d’ondes millimétriques et térahertz.

Transistors radiofréquence basés sur des réseaux de nanotubes de carbone de haute pureté

Crédit : Shi et al.

« Nous espérons que la vitesse, l’amplification et le potentiel de linéarité des dispositifs RF CNT pourront être véritablement démontrés par des expériences », a déclaré Peng.

Notamment, les transistors RF à base de CNT développés par cette équipe de chercheurs entrent dans la catégorie des transistors à effet de champ (FET) métal-oxyde-semiconducteur (MOS). En d’autres termes, le mécanisme qui sous-tend leur fonctionnement ressemble à celui permettant le fonctionnement des MOSFET.

« Le transistor RF est un dispositif à trois bornes, composé d’un nœud de porte, d’un nœud de source et d’un nœud de drain », a déclaré Peng. « Le nœud de grille contrôle le canal de conductivité entre la source et le nœud de drain. »

Pour permettre l’amplification des signaux radiofréquences, les transistors créés par les chercheurs s’appuient sur l’amplification par transconductance du dispositif FET. De plus, leur vitesse de fonctionnement dépend de la vitesse de transport des porteurs dans le canal du dispositif.

« Les principaux avantages de nos transistors peuvent être résumés en trois points principaux », a déclaré Peng. « Premièrement, nos dispositifs basés sur des réseaux CNT semi-conducteurs haute densité présentent une forte capacité de pilotage à l’état passant, conduisant à une grande transconductance et à un courant élevé, ce qui apporte la forte capacité d’amplification du signal RF. Deuxièmement, nos réseaux CNT présentent une vitesse de saturation élevée des porteurs et mobilité élevée, correspondant à la fréquence de coupure de gain de courant (fT) et à la fréquence de coupure de gain de puissance (fMAX) élevées. « 

Lors des évaluations initiales, les matrices CNT créées par Peng et ses collègues se sont avérées d’excellente qualité et présentaient une performance de linéarité inhérente élevée. Remarquablement, les chercheurs ont été les premiers à pousser les performances de fréquence intrinsèques des FET RF à base de CNT dans le régime térahertz.

« Bien qu’il ait été théoriquement prédit depuis longtemps que les FET CNT ont un potentiel THz, nos résultats en sont la démonstration expérimentale la plus proche », a déclaré Peng. « En outre, les dispositifs FET basés sur des matrices CNT présentent des fréquences de coupure plus élevées que les dispositifs à base de silicium sous la même longueur de grille et les mêmes conditions de désembeddage. »

Les résultats recueillis par cette équipe de chercheurs démontrent que la vitesse RF des appareils à base de CNT peut atteindre les niveaux souhaitables décrits par les prédictions théoriques. À l’avenir, Peng et ses collègues aimeraient encore améliorer les performances des transistors RF à base de CNT, en optimisant davantage leur composition et leur structure.

« Nous prévoyons également de réaliser des amplificateurs pratiques à base de CNT fonctionnant au régime térahertz », a déclaré Peng. « En les intégrant à des circuits intégrés CMOS numériques hautes performances à base de CNT, nous sommes impatients d’appliquer l’électronique haute vitesse basée sur des matrices CNT aux applications SoC fonctionnant en ondes millimétriques et même en fréquences THz. »


Les chercheurs créent une technologie hybride qui combine des FET à tunnel III-V et des MOSFET


Plus d’information:
Transistors radiofréquences basés sur des réseaux de nanotubes de carbone alignés. Nature Électronique(2021). DOI : 10.1038/s41928-021-00594-w

© 2021 Réseau Science X

Citation: Transistors radiofréquence basés sur des réseaux de nanotubes de carbone de haute pureté (2021, 9 juillet) récupérés le 9 juillet 2021 sur https://techxplore.com/news/2021-07-radiofréquence-transistors-based-high-purity-carbon.html

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