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Radiofrequency transistors based on aligned carbon nanotube arrays

碳纳米管 材料科学 跨导 光电子学 放大器 截止频率 晶体管 极高频率 场效应晶体管 纳米技术 电气工程 物理 电压 光学 CMOS芯片 工程类
作者
Huiwen Shi,Li Ding,Donglai Zhong,Jie Han,Lijun Liu,Lin Xu,Pengkun Sun,Hui Wang,Jianshuo Zhou,Fang Li,Zhiyong Zhang,Lian‐Mao Peng
出处
期刊:Nature electronics [Nature Portfolio]
卷期号:4 (6): 405-415 被引量:83
标识
DOI:10.1038/s41928-021-00594-w
摘要

The development of next-generation wireless communication technology requires integrated radiofrequency devices capable of operating at frequencies greater than 90 GHz. Carbon nanotube field-effect transistors are promising for such applications, but key performance metrics, including operating frequency, at present fall below theoretical predictions. Here we report radiofrequency transistors based on high-purity carbon nanotube arrays that are fabricated using a double-dispersion sorting and binary liquid interface aligning process. The nanotube arrays exhibit a density of approximately 120 nanotubes per micrometre, a maximum carrier mobility of 1,580 cm2 V−1 s−1 and a saturation velocity of up to 3.0 × 107 cm s−1. The resulting field-effect transistors offer high d.c. performance (on-state current of 1.92 mA µm−1 and peak transconductance of 1.40 mS μm−1 at a bias of −0.9 V) for operation at millimetre-wave and terahertz frequencies. Transistors with a 50 nm gate length show current-gain and power-gain cutoff frequencies of up to 540 and 306 GHz, respectively, and radiofrequency amplifiers can exhibit a high power gain (23.2 dB) and inherent linearity (31.2 dBm output power of the third-order intercept point) in the K-band (18 GHz). Transistors based on arrays of aligned carbon nanotubes can exhibit cutoff frequencies of up to 540 GHz, and could be further scaled for operation at millimetre-wave and terahertz frequencies.
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