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工作频率超100 GHz的柔性碳纳米管射频晶体管问世，为6G终端铺路

6G技术需要工作频率超过100 GHz的柔性低功耗终端。然而，现有柔性射频晶体管的电流增益截止频率（fT）最高仅为56 GHz（基于石墨烯）。碳纳米管（CNT）虽具备高饱和速度、小本征电容等理论优势，但在柔性基底上实现的最高fT仅1.6 GHz，远低于预期。核心瓶颈在于柔性聚合物基底导热性差，导致器件自热效应严重，严重制约了高频性能的提升。

鉴于此，来自北京大学胡又凡副教授、彭练矛院士和美国斯坦福大学Eric Pop教授通过电热协同设计，在柔性聚酰亚胺（PI）基底上成功制备出基于对齐碳纳米管阵列的射频晶体管。该器件实现了0.947 mA μm⁻¹的开态电流（Ion）和0.728 mS μm⁻¹的跨导（gm），其峰值外部（实测）电流增益截止频率（fT,ext）达到152 GHz，峰值外部功率增益截止频率（fmax,ext）达到102 GHz，功耗低于200 mW mm⁻¹。基于该晶体管构建的柔性射频放大器在K波段（18 GHz）实现了64 mW mm⁻¹的输出功率和11 dB的功率增益。这项研究标志着柔性射频晶体管首次在100 GHz以上频段实现稳定工作，为6G柔性终端设备的发展奠定了关键技术基础。相关成果以题为“Flexible radio-frequency carbon nanotube transistors operating at frequencies above 100GHz”发表在最新一期《nature electronics》上。

器件结构与直流性能

研究团队设计并制备了基于对齐CNT阵列的顶栅结构柔性射频晶体管，如图1b所示。器件制作在厚度仅为2 μm的柔性PI基底上，采用双指结构，并在栅极与源/漏极之间引入空气间隙以减小寄生效应。通过优化工艺，实现了最小75 nm的栅长（Lg）和120 nm的沟道长度（Lch），宽长比达133:1。扫描电镜图像（图1c）清晰展示了75 nm长栅极精确对齐于120 nm沟道中心。图1d和1e展示了典型器件的转移与输出特性，其Ion和gm在不超过0.6 V的电源电压下优于其他各类柔性MOSFET（图1f）。

图 1 | 基于柔性碳纳米管的射频晶体管的结构及直流特性

电热协同设计

为解决柔性基底散热难题，团队进行了系统的电热协同优化。仿真显示（图2a），在最大fT偏置条件下（功耗199 mW mm⁻¹），CNT沟道温升（ΔT）达331 °C，PI基底达168 °C，均控制在材料耐受范围内（CNT约600 °C，PI玻璃化转变温度约350 °C）。图2b展示了沿沟道方向的温度衰减特征热长度（LH≈300 nm），表明源/漏接触对侧向散热至关重要。为此，优化了金属接触堆叠（20 nm Pd / 20 nm Au）和栅堆叠（AlO/Al/Ti/Au），以提升热传导并兼顾寄生电容控制。经此设计，不同Lg（75 nm至420 nm）器件的沟道与基底温升均保持在安全范围内（图2c），而未采用协同设计的对比器件则出现严重自热导致的负微分电阻和快速失效。

图 2 | 柔性碳纳米管射频晶体管的电热协同设计及性能

射频性能

在射频性能方面，Lg =75 nm器件的实测（外部）fT,ext达到152 GHz（图2d），经焊盘去嵌入后提升至171 GHz，本征fT,int更高达310 GHz，已进入太赫兹频段（300 GHz至3 THz）。对于Lg =160 nm的器件，其外部fmax,ext达到102 GHz（图2e），去嵌入后fmax,pad和fmax,int分别为141 GHz和168 GHz。图2f显示了fT,ext随偏置电压Vgs和Vds的变化规律，最优偏置点与直流跨导峰值一致。器件展现出优异的缩放特性：如图3c所示，本征fT与Lg成反比，符合小信号模型预期；而fmax在Lg =160 nm达到峰值（图3d），这归因于更短沟道器件中栅电阻的快速增加。去嵌入比率（去嵌入值/实测值）在fT上低于1.2，在fmax上低于1.4（图3e），表明PI基底的高频损耗极低。图3f展示了fT,ext的统计分布，其中Lg =75 nm器件的平均值为141.17 ± 9.2 GHz，良率超60%，体现出良好的均匀性与重复性。

图 3 | 不同栅长(Lg)值的柔性射频晶体管性能

性能基准对比

图4a与4b将该工作与现有柔性射频MOSFET进行对比。本研究器件的fT,ext=152 GHz和fmax,ext =102 GHz均为目前报道的最高值，其fT,ext比此前CNT基柔性器件高出约两个数量级，是石墨烯基柔性器件的近三倍；fmax,ext是其他材料柔性器件的七倍以上。同时，器件在低电压下实现高性能，最高fT,ext和fmax,ext对应的功耗分别为199 mW mm⁻¹和147 mW mm⁻¹（图4c, 4d），远低于同类柔性器件，甚至优于部分刚性基底上的CNT射频器件。

图 4 | 性能和功耗的基准测试

柔性评估与放大器性能

如图5a所示，将器件弯曲至曲率半径1.5 mm后，fT,ext仅下降6.4%；经过1000次曲率半径3 mm的反复弯曲后（图5b），fT,ext下降9.8%，展现出良好的机械鲁棒性。基于Lg =160 nm的六指器件，构建了工作在18 GHz的柔性射频功率放大器。图5c显示，该放大器输出功率（Pout）达64 mW mm⁻¹，最大功率增益为11 dB。图5d进一步给出其漏极效率（最高18%）和功率附加效率（最高10%）。该放大器的去嵌入fmax,pad为131 GHz，预示着其潜在工作频率可达43.6 GHz（约为fmax,pad的三分之一），对应功率增益仍可达8.9 dB。

图 5 | 射频晶体管的柔性测试与柔性功率放大器的性能

总结与展望

本研究通过对齐碳纳米管阵列与电热协同设计，成功在柔性基底上实现了工作频率超过100 GHz的射频晶体管，并展示了其在K波段的功率放大能力。这一突破验证了碳纳米管在构建未来6G柔性终端方面的巨大潜力。未来的进一步进展将依赖于基底工程、机械与电热协同设计以及器件优化。特别是提升热与机械鲁棒性，以缓解自热和力电耦合效应，为射频缩放提供稳定基础。在此基础上，沟道长度的缩减和先进栅极工程能更有效地转化为fT和fmax的提升，同时CNT阵列的质量和密度也需要同步提高。最终，基于碳纳米管的柔性射频电路有望与同材料体系的传感器、天线及数字/模拟电路集成，为实现下一代6G技术所需的高速、低功耗终端开辟全新路径。