Tecnologia Científica

Transistores de radiofrequência baseados em matrizes de nanotubos de carbono de alta pureza
A maioria das tecnologias de comunicação sem fio da próxima geração exige dispositivos de radiofrequência integrados que podem operar em frequências superiores a 90 GHz. Dois dos semicondutores mais usados ​​para fabricar radiofrequência
Por Ingrid Fadelli - 09/07/2021


Crédito: Shi et al.

A maioria das tecnologias de comunicação sem fio da próxima geração exige dispositivos de radiofrequência integrados que podem operar em frequências superiores a 90 GHz. Dois dos semicondutores mais amplamente usados ​​para fabricar dispositivos de radiofrequência são os transistores de efeito de campo (FETs) de silício complementar de óxido metálico (CMOS) e transistores baseados em semicondutores compostos III-V, particularmente GaAs.

Ambas as tecnologias de RF de semicondutor, no entanto, são incapazes de atingir simultaneamente altas frequências de operação e são fáceis de integrar nas tecnologias de comunicação sem fio. Um candidato promissor para o desenvolvimento de FETs de alta velocidade (até frequências terahertz) são os nanotubos de carbono semicondutores de parede única (CNTs), devido às suas propriedades eletrônicas e físicas favoráveis. Notavelmente, os requisitos de material dos CNTs para a fabricação de dispositivos RF analógicos e digitais são quase os mesmos.

Pesquisadores da Universidade de Pequim, na China, fabricaram recentemente novos transistores de RF baseados em matrizes CNT alinhadas. Esses transistores, apresentados em um artigo publicado na Nature Electronics , foram criados usando dois métodos distintos, uma classificação de dupla dispersão e um processo de alinhamento de interface de líquido binário.

"Os CNT FETs podem alcançar melhor desempenho para aplicações SoC do que silício e tecnologias baseadas em semicondutores compostos III-V", disse Lianmao Peng, um dos pesquisadores que realizaram o estudo, à TechXplore. "No entanto, tanto a velocidade quanto o ganho dos CNT FETs ainda estão aquém das previsões teóricas."

A velocidade dos FETs baseados em CNT até agora tem sido limitada e insatisfatória, principalmente devido à falta de matrizes de CNT semicondutoras bem alinhadas com uma densidade adequada, alta uniformidade, alta pureza semicondutora e alta mobilidade de portadora. Para superar esses desafios e desenvolver dispositivos CNT RF de alto desempenho, os pesquisadores decidiram adaptar a estrutura dos materiais CNT.

Para fabricar seus transistores de RF, Peng e seus colegas usaram principalmente dois processos conhecidos como litografia de feixe de elétrons (EBL) e deposição de camada atômica (ALD). Em seguida, eles concluíram a preparação de cada uma das camadas funcionais nos dispositivos usando outro equipamento de nanofabricação, por meio do que é conhecido como um processo de decolagem de cima para baixo.

"Obtivemos matrizes de CNT para aplicação de radiofrequência por meio de um procedimento de dupla dispersão e automontagem confinada por interface líquida binária (BLIS) e realizamos a fabricação de dispositivos de radiofrequência de alto desempenho e amplificadores baseados em matrizes de CNT", disse Peng. "Quanto aos nossos objetivos primários, desejamos explorar o potencial do limite superior de frequência, o ganho de potência e o potencial de desempenho de linearidade de transistores e amplificadores baseados em matriz CNT sob as condições experimentais."
 
Os arranjos de nanotubos desenvolvidos por Peng e seus colegas têm uma densidade de aproximadamente 120 nanotubos por micrômetro, exibindo uma mobilidade de portador de 1.580 cm 2 V -1 s -1 e uma velocidade de saturação de até 3,0x10 7 cm s -1 . Usando essas matrizes de nanotubos, os pesquisadores fabricaram FETs que alcançaram um alto desempenho DC ao operar em frequências de ondas milimétricas e terahertz.

Crédito: Shi et al.

"Esperamos que a velocidade, amplificação e potencial de linearidade dos dispositivos RF CNT possam ser verdadeiramente demonstrados em experimentos", disse Peng.

Notavelmente, os transistores de RF baseados em CNT desenvolvidos por esta equipe de pesquisadores se enquadram na categoria de transistores de efeito de campo (FETs) de óxido metálico semicondutor (MOS ). Em outras palavras, o mecanismo que sustenta sua operação assemelha-se ao que permite a operação de MOSFETs.

"O transistor de RF é um dispositivo de três terminais , consistindo de um nó de porta, nó de origem e nó de drenagem", disse Peng. "O nó do portão controla o canal de condutividade entre a fonte e o nó de drenagem."

Para possibilitar a amplificação dos sinais de radiofrequência, os transistores criados pelos pesquisadores contam com a amplificação da transcondutância do dispositivo FET. Além disso, sua velocidade de operação depende da velocidade de transporte das operadoras no canal do dispositivo.

"Também planejamos realizar amplificadores práticos baseados em CNT operando em regime de terahertz", disse Peng. "Ao integrá-los com CIs CMOS digitais de alto desempenho baseados em CNT, esperamos aplicar eletrônicos de alta velocidade baseados em matrizes de CNT em aplicações SoC operando em ondas milimétricas e até frequências THz."


"As principais vantagens de nossos transistores podem ser resumidas em três pontos principais", disse Peng. "Em primeiro lugar, nossos dispositivos baseados em matrizes de CNT semicondutoras de alta densidade mostram a forte capacidade de condução no estado, levando a grande transcondutância e grande corrente, o que traz a forte capacidade de amplificação de sinal de RF. Em segundo lugar, nossas matrizes de CNT exibem alta velocidade de saturação de portadora e alta mobilidade, correspondendo à frequência de corte de alto ganho de corrente (fT) e frequência de corte de ganho de potência (fMAX). "

Nas avaliações iniciais, as matrizes de CNT criadas por Peng e seus colegas foram consideradas de excelente qualidade e exibiram um alto desempenho de linearidade inerente. Notavelmente, os pesquisadores foram os primeiros a empurrar o desempenho de frequência intrínseca de FETs RF baseados em CNT para o regime de terahertz.

"Embora tenha sido previsto teoricamente que os CNT FETs têm potencial THz, nossos resultados são a demonstração experimental mais próxima disso", disse Peng. "Além disso, os dispositivos FETs baseados em matrizes de CNT exibem frequências de corte mais altas do que os dispositivos baseados em silício sob o comprimento de porta semelhante e as mesmas condições de desincorporação."

As descobertas reunidas por esta equipe de pesquisadores demonstram que a velocidade de RF de dispositivos baseados em CNT pode atingir níveis desejáveis ​​delineados por previsões teóricas. No futuro, Peng e seus colegas gostariam de melhorar ainda mais o desempenho dos transistores RF baseados em CNT , otimizando ainda mais sua composição e estrutura.

"Também planejamos realizar amplificadores práticos baseados em CNT operando em regime de terahertz", disse Peng. "Ao integrá-los com CIs CMOS digitais de alto desempenho baseados em CNT, esperamos aplicar eletrônicos de alta velocidade baseados em matrizes de CNT em aplicações SoC operando em ondas milimétricas e até frequências THz."

 

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