Terahertz metal-oxide-semiconductor transistors based on aligned carbon nanotube arrays

材料科学 光电子学 跨导 场效应晶体管 CMOS芯片 太赫兹辐射 晶体管 半导体 放大器 电气工程 电压 工程类
作者
Zhiyong Zhang,Jianshuo Zhou,Li Ding,Lin Xu,Xiaohan Cheng,Zipeng Pan,Haitao Li,Maguang Zhu,Lijun Liu,Huiwen Shi,Lian‐Mao Peng
出处
期刊:Research Square 被引量:5
标识
DOI:10.21203/rs.3.rs-2526224/v1
摘要

Abstract The development of wireless communications is driving the need for compact radiofrequency (RF) devices with up to terahertz (THz) frequency and fabrication processes compatible with that of complementary-metal-oxide-semiconductor (CMOS) transistors. Aligned carbon nanotube (A-CNT) film is a promising candidate semiconductor that can be used to build both CMOS field-effect transistors (FETs) for digital integrated circuits (ICs) and radiofrequency (RF) transistors with frequencies beyond 1 THz for analogue ICs. Herein, we demonstrate the first MOS FET with a cut-off frequency beyond 1 THz on a high-quality A-CNT array film, and with a carrier mobility of 2,000 cm2 V− 1 s− 1 and better scaling characteristics than all semiconductors, including GaAs and InP. The fabricated CNT MOS FETs present a record performance that includes an on-state current of 3.02 mA µm− 1, a peak transconductance of 2.17 mS µm− 1 at a bias of − 1 V, and a saturation velocity of 3.5 × 107 cm s− 1. Through optimising device structure and fabrication process, in particular the introduction of a Y-gate, a 35 nm-gate length A-CNT MOS FET is fabricated that shows extrinsic current-gain/power-gain and cut-off frequencies of up to 551 GHz/1024 GHz, representing the fastest MOS FET for RF applications. Furthermore, CNT-based mmWave band (30 GHz) RF amplifiers are demonstrated with a high gain of 21.4 dB.
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