半导体碳纳米管具有超高载流子迁移率和饱和速度、优异的本征线性度等电学特征，并且本征尺寸小、化学稳定性高、导热性好、机械强度高，在数字集成电路和射频电路领域都具有巨大潜力，具备构建射频/数字电路SOC系统集成平台的优势，有望为未来6G通信技术提供理想的核心芯片技术。

北京大学电子系碳基电子学研究中心、纳米器件物理与化学教育部重点实验室张志勇教授-彭练矛教授联合课题组通过改进提纯和双液相自组装沉积方法，制备了适合射频应用的半导体阵列碳纳米管材料，并在此基础上首次实现了有望在太赫兹频段工作的射频晶体管和高性能放大器，充分展现了碳管在射频电子学上的优势和潜力。课题组在全绝缘的石英衬底上制备了阵列碳纳米管射频晶体管，其中50nm栅长器件的实测截止频率（fT，EXT）和功率增益截止频率（fMAX, EXT）分别达到了186GHz和158GHz，是所有基于纳米材料晶体管的最高值。

图1. 石英衬底上的阵列碳管射频晶体管

50nm栅长射频晶体管的本征截止频率（fT,INT）和功率增益截止频率（fMAX, INT）分别为540GHz和306GHz，这表明碳基射频器件首次进入到了太赫兹频段。课题组进一步探索了碳基射频晶体管在射频放大器中的应用潜力，通过采用多指栅结构提升碳基晶体管的负载驱动能力，实现了碳基放大器在功率增益和线性度上的提升，首次在18GHz（K 波段）实现了高达23.2dB的增益，线性度测试中实现了>9dBm的1dB压缩点输，出功率和OIP3=31.2dBm的三阶交调特性，对应的OIP3/Pdc为19.7dB@18GHz，各项关键指标均远高于之前美国南加州大学报道的最好碳基放大器。

该工作首次将碳纳米管射频器件的工作带宽提升至了太赫兹领域，真正展示了碳纳米管器件的高速和高带宽优势。2021年 6 月21日，相关研究成果以《基于阵列碳纳米管的射频晶体管器件》（Radiofrequency transistors based on aligned carbon nanotubearrays）为题，在线发表于《自然·电子学》（Nature Electronics），并被选为封面文章。

    图2. 碳纳米管射频放大器的功率增益和线性度表征

单片三维集成是集成电路在后摩尔时代的重要发展方向，存储与逻辑的单片集成可以大幅提升系统的带宽与能效，是解决当前集成电路领域面临的“存储墙”与“功耗墙”挑战的主要技术路径。此外，硅基工艺的高热预算限制了其在后道工艺中实现有源器件的制备，因此，硅基后道兼容、低热预算、高性能的新型半导体沟道成为了学术界和工业界的前沿热点领域。以铟镓锌氧化物（IGZO）为代表的非晶氧化物半导体具有极佳的综合性能，是后道兼容逻辑器件与存储器件的主要候选材料。

 图3. 期刊封面