6 月 8 日消息，中国科学院金属研究所孙东明、刘驰团队联合多家科研单位，在高频晶体管领域取得重要突破。团队成功研制出国际上首款实现射频测试的硅-石墨烯-锗势垒晶体管，该器件刷新了垂直二维基区晶体管的截止频率纪录，并创造了晶体管电流增益的世界最高值。

相关研究成果以“A high-frequency silicon-graphene-germanium barristor”（一种高频硅-石墨烯-锗势垒晶体管）为题，于近日发表于《自然 · 通讯》（Nature Communications）。这也是国际上首款成功实现射频测试功能的势垒晶体管。

据介绍，随着 5G 的规模化部署与 6G 技术的前瞻性探索，物联网（IoT）、超高速传感及智能通信系统对晶体管的运行速度提出了前所未有的要求，即其截止频率需突破 1 太赫兹（THz）的关键门槛。

然而，传统高频晶体管，如高电子迁移率晶体管（HEMT）和异质结双极型晶体管（HBT），其性能受限于载流子在沟道或体材料基区中的渡越时间，难以满足太赫兹频段的应用需求。近年来，利用石墨烯等二维材料作为基区的垂直二维基区晶体管虽被寄予厚望，但界面处的量子隧穿势垒和缺陷问题长期存在，导致严重的载流子散射，限制了器件的电流增益与高频性能。

针对这一核心难题，联合团队提出了一种全新的器件架构，他们将晶圆级单晶单层石墨烯通过化学气相沉积外延生长于锗衬底上，再精确堆叠单晶硅膜，构筑出高质量的硅-石墨烯-锗垂直异质结构。

▲ 高频硅-石墨烯-锗晶体管器件结构。a. 外延石墨烯晶圆；b. 器件截面示意图；c. 器件结构展开图；d. 扫描电子显微镜图像；e. 器件阵列光学图像

研究团队还利用石墨烯与硅、锗界面形成的不对称肖特基势垒，并结合石墨烯的量子电容效应实现功函数调控，使得锗端的电流变化幅度远大于硅端，从而产生了 1.8×10⁷的共射极电流增益，创下目前已报道晶体管中的最高纪录。

▲ 势垒晶体管机制和直流特性。a. 不对称肖特基势垒能带图；b. 器件输入特性；c. 器件转移特性；d. 电流增益随栅压的变化；e. 器件增益统计分析；f. 与其他材料体系晶体管的增益对标。

在射频实测中，该晶体管的本征截止频率达到 132 GHz，超越了过去所有垂直二维基区晶体管的最高水平。进一步的器件建模与仿真分析表明，通过优化材料掺杂浓度、降低接触电阻及缩减寄生效应，该器件的理论工作频率有望突破 1 THz，进入太赫兹应用频段。

▲ 势垒晶体管射频特性。a. 不同偏压下增益 H21 频率特性；b. 电流增益截止频率与偏压关系；c. 截止频率的温度依赖性；d. 不同锗掺杂浓度下截止频率分布；e. 不同器件面积的截止频率统计；f. 与其他垂直二维基区晶体管的射频性能对标。

▲ 硅-石墨烯-锗势垒晶体管的紧凑物理模型。a. 电容模型和能带示意图；b. 截止频率随偏压的变化；c. 截止频率随掺杂浓度的变化；d. 截止频率随肖特基势垒高度的变化。

该研究不仅为势垒晶体管在射频与太赫兹通信领域的应用奠定了坚实基础，也为未来物联网与 6G 传感系统的超高速信号处理提供了全新的技术路径。

该项研究工作由中国科学院金属研究所的孙东明研究员和刘驰研究员主导，并与上海微系统与信息技术研究所薛忠营团队、华东师范大学高建军团队、微电子研究所汪令飞团队以及固态微波器件与电路全国重点实验室的宋旭波研究员合作完成。中国科学院金属研究所王肖月、乔梓珅和微电子所的孙绍唐为论文的共同第一作者。该项研究工作得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划、辽宁省杰出青年基金计划等多方资助。

IT之家附论文地址：

https://www.nature.com/articles/s41467-026-71447-3