2025-06-23 | 科研部 南科大宋爱民团队在二维材料共振隧穿晶体管领域取得进展

近日，南方科技大学纳米科学与应用研究院讲席教授宋爱民团队在高性能二维材料共振隧穿晶体管的制备中取得新进展，相关成果以“Toward high-current-density and high-frequency graphene resonant tunneling transistors”为题发表在Nature Communications上。 

负微分电阻是一种特殊的电学特性，表现为电流随电压升高而减小，这种反常规行为使其在振荡器、多值逻辑电路及存储器等领域展现出独特应用价值。该现象可通过共振隧穿晶体管等量子隧穿器件实现，其中隧穿结的能带工程对特性调控起关键作用。近年来，二维材料基隧穿器件研究取得显著进展，得益于这类材料天然的原子级平整表面和无悬挂键特性，为构建具有原子层精度的垂直隧穿结提供了理想平台。然而，在以往的文献报道中，二维隧穿器件实现的负微分电阻峰电流密度普遍较低（不超过10μA/μm²），导致了较大的RC和较低的工作频率（不超过2MHz），限制了其应用。

图1  二维材料共振隧穿晶体管的结构和输出特性

针对高电流密度下负微分电阻特性湮灭的关键难题，研究团队通过精准调控二维异质结界面，系统制备了1-5层原子级h-BN势垒的Gr/h-BN/Gr垂直结构器件阵列。基于传输线模型的定量分析表明，传统矩形沟道中电极边缘散射引发的接触电阻会完全掩盖负微分电阻特征。为此，团队创新开发三角型等离子体刻蚀结合自对准工艺，形成梯度过渡的锥形电极界面，成功将寄生电阻降低，最终在单层h-BN势垒中观测到稳定负微分电阻效应，为高频量子器件开发提供了新范式。其室温峰电流密度高达2700μA/μm²，工作频率高达11GHz，证明了二维负微分电阻器件在高速电子领域的应用潜力。

图2  二维材料共振隧穿晶体管的峰电流密度和工作频率

该论文第一作者为南方科技大学博士后张子豪，宋爱民教授为共同通讯作者，南方科技大学为第一通讯单位。研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、深圳市自然科学基金等项目的支持。

论文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-025-58720-7

供稿：纳米科学与应用研究院

通讯员：谢阅

主图：丘妍

编辑：周易霖