近日，山東大學集成電路學院張嘉煒教授課題組在高性能二維材料共振隧穿晶體管的制備中取得重要進展，相關成果以“Toward high-current-density and high-frequency graphene resonant tunneling transistors”為題發表在Nature Communications(IF：14.7)，集成電路學院畢業博士研究生張子豪為論文第一作者，張嘉煒教授和南方科技大學宋愛民教授為共同通訊作者。
 

 

　　負微分電阻是一種特殊的電學特性，表現為電流隨電壓升高而減小，這種反常規行為使其在振蕩器、多值邏輯電路及存儲器等領域展現出獨特應用價值。該現象可通過共振隧穿晶體管等量子隧穿器件實現，其中隧穿結的能帶工程對特性調控起關鍵作用。近年來，二維材料基隧穿器件研究取得顯著進展，得益于這類材料天然的原子級平整表面和無懸掛鍵特性，為構建具有原子層精度的垂直隧穿結提供了理想平臺。然而，在以往的文獻報道中，二維隧穿器件實現的負微分電阻峰電流密度普遍較低(不超過10 μA/μm2)，導致了較大的RC和較低的工作頻率(不超過2 MHz)，限制了其應用。
 

　　針對高電流密度下負微分電阻特性湮滅的關鍵難題，研究團隊通過精準調控二維異質結界面，系統制備了1-5層原子級h-BN勢壘的Gr/h-BN/Gr垂直結構器件陣列。基于傳輸線模型的定量分析表明，傳統矩形溝道中電極邊緣散射引發的接觸電阻會完全掩蓋負微分電阻特征。為此，團隊創新開發三角型等離子體刻蝕結合自對準工藝，形成梯度過渡的錐形電極界面，成功將寄生電阻降低，最終在單層h-BN勢壘中觀測到穩定負微分電阻效應，為高頻量子器件開發提供了新范式。其室溫峰電流密度高達2700 μA/μm2，工作頻率高達11 GHz，證明了二維負微分電阻器件在高速電子領域的應用潛力。
 

　　張嘉煒教授團隊長期致力于二維材料及其電子器件的研究。在前期研究工作中，團隊提出并實驗驗證了一種使用暗場光學顯微技術判別二維材料原子層數的通用方法，制備了高峰谷比的石墨烯共振隧穿晶體管，為本研究奠定了基礎。
 

　　本研究得到了國家重點研發計劃(2022YFA1405200、2022YFB3603900)、國家自然科學基金 (62074094、62204143)、山東省自然科學基金 (ZR2022ZD04、ZR2022ZD05) 等項目的支持。