近年来，随着5G、人工智能的发展，无线通信网络要求射频器件具有更高的工作频率，达到毫米波和太赫兹频段。射频二极管作为射频系统中的重要器件，被用于构建混频器、射频识别（RFID）系统和高频信号源等，因此受到广泛研究。目前，主流的射频二极管主要采用硅、三五族材料等。新型材料中金属氧化物（ZnO、IGZO）和二维材料（石墨烯，r-GO、TMDs）等在柔性射频应用具有非常好的优势和潜力，然而受限于大的接触电阻以及低载流子迁移率等问题，实现高截止频率、高集成度以及低成本的射频二极管仍然存在严峻挑战。

碳纳米管是一种具有高载流子迁移率、超小本征电容和高热导率的一维材料，有潜力制备高性能射频二极管。虽然理论计算预测碳纳米管射频二极管具有THz水平的截止频率，但目前报道的最高的实测截止频率仅为18GHz，与理论预测有至少2个量级的差距，难以满足未来发展需求。北京大学电子学院/碳基电子学研究中心王胜副研究员与丁力副研究员，基于高纯度的碳纳米管随机取向薄膜实现了高性能的碳纳米管射频二极管，并通过局域掺杂工艺显著提高了器件的整流比，所制备的射频二极管可工作于毫米波频段，有望用于下一代无线网络通信系统中。

       图1 碳纳米管射频二极管示意图

课题组在高阻硅基底上采用叉指状电极的方式制备了GSG结构的器件，有效降低了二极管的串联电阻。所制备的二极管1V下开态电流可达5.9mA，串联电阻148Ω，并可实现良好的半波整流。

图2 碳纳米管射频二极管整流测试

所构建的碳纳米管射频二极管截止频率可达170GHz，并展示出大规模制备的均一性。高截止频率主要是由于二极管具有较小的电容和较低的串联电阻。

图3 碳纳米管射频二极管本征截止频率

图4 碳纳米管射频二极管非本征截止频率

课题组同时展示了碳纳米管射频二极管在射频整流电路中的信号传输能力。所构建的射频整流电路截止频率超过50GHz，小信号下的输出电压可达30mV以上，不仅是碳纳米管射频二极管的最好结果，也是目前纳米材料体系中的最优值，表明碳纳米管射频二极管可用于毫米波频段射频整流电路中。

最后，课题组通过YOx的局域掺杂工艺显著提高了二极管的整流比，优化后的器件整流比可达20，显示出更佳的半波整流特性。优化后的射频二极管依然保持较高的截止频率，表明YOx的掺杂有效提高了碳纳米管射频二极管性能。

图5 碳纳米管射频二极管整流优化

图6 论文截图

该成果以《工作频率超过50GHz的碳纳米管二极管》（Carbon Nanotube Diodes Operating at Frequencies of Over 50 GHz）为题，发表于《Small》（Small 2023, 2207628）。北京大学电子学院2018级硕士生薛晨桥为文章第一作者，北京大学电子学院/碳基电子学研究中心王胜副研究员和丁力副研究员为文章共同通讯作者。

本工作得到了国家重点研发项目（Grant No. 2020YFA0714703）、国家自然科学基金（Grant Nos. 62071008, U 62171004，U21A6004）和季华实验室（Grant No. 2021B0301030003）的支持。该研究中制备的碳纳米管射频二极管具有高截止频率、高整流比以及简单的制备工艺，有望用于毫米波通信系统中。