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与现有的半导体器件相比，这些器
件的传输曲线线性度天然就更优异，因
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此具有更高的OIP3/P dc 比值。 Carbonics
公司研发的碳纳米管晶体管结合了其电
子传输特性的固有线性优势，以及一种
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在理论上 与实际中 均已验证可将OIP3/
2
P dc 最大化的方法。借助于CNT-FET技
术，f t 取得新高（见图1），从2015年
的22 GHz增加到2018年的60 GHz。而
Carbonics的CNT-FET实现了15.7dB的
OIP3/P dc 和11.5dBm的OIP3。工作电压低 (a) (b) (c)
（<3V）以及CMOS兼容性为数字和模 图2：布满场效应管沟道的对准单层高纯度半导体碳纳米管在形成T栅极之前的扫描
拟的单片集成创造了可能。 电镜图像（a）、CNT-FET（b）、氧化铝芯片载体上的CNT-FET裸片（c）。
CNT-FET规格和晶圆测量 的电场调制，而这又是构造有用的场效
作为晶圆测量之外的可行性证明， 应管所必须的。用于CNT-FET的碳纳米 RF PCB Chip Carrier with
CNT-FET Die
我们构建并展示了两个L波段放大器 管需分拣以去除那些金属碳纳米管。
（放大器1和2）。碳纳米管的分子结构 本文涉及的CNT-FET由高纯度半
类似于石墨烯（即碳原子的六边形）， 导体碳纳米管构成，掺有极少量的金属
只不过它们组成管状且卷起的方向（即 碳纳米管，约为0.1％。这确保了晶体
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手性矢量）决定了其电子特性。 部分手 管漏电流最小。然后采用Carbonics独家
性具有零带隙（即金属），其他的具有 ZEBRA晶圆片沉积工艺将它们以单层形
非零带隙（即半导体碳纳米管）。 式沉积在石英晶圆上，形成图2a中所示 Gate Matching
目前的碳纳米管生产工艺暂时无法 的碳纳米管单层。两个放大器中使用的 Inductor (nH)
控制手性。因此，原生的碳纳米管中大 CNT-FET栅极宽度为50μm，栅极长度 Drain Matching
约三分之一是金属性的，其余则是半导 为140nm。图2b为基于石英衬底制造的 Inductor (nH)
体的。只有后者可用于CNT-FET，因为 CNT-FET，与放大器中使用的类似。放
金属碳纳米管中的电流不能通过绝缘体 大器中所使用的CNT-FET来自于晶圆， 图3：封装的CNT-FET放大器。
其晶圆上测量显示当V ds
0 等于-1.5V时，外源性f max 晶圆探针能直接测量所搭载CNT-FET的
和ft分别达到60 GHz和43- S参数，同时自动考量裸片到芯片载体
–2
60 GHz。放大器1和2中使 键合线的射频特性。安装完毕后，CNT-
–4 Input 用的CNT-FET最大漏极电 FET芯片载体在芯片载体焊盘上进行探
Output 流I dmax 分别为143mA/mm 测，从而能够精确设计射频放大器PCB
–6
|S 11| (dB) –8 和228mA/mm，V ds 为-1V 的阻抗匹配和偏置结构，而无需对载体
进行建模。
时的开/关比分别为233和
–10 121，这表明金属碳纳米 安装在芯片载体上的放大器 1 的
管含量非常低。 CNT-FET的f t 和f max 分别为3和7.9 GHz，
–12
而放大器2的CNT-FET测量结果为5和
–14 设备、芯片载体以及 8 GHz。测量晶圆上f t 和f max 的大幅下降
950 1050 1150 1250 1350 1450 1550 1650 放大器结构
Frequency (GHz) 可能是由于键合线寄生电感和电阻引起
(a) 如图2c所示，石英衬 的。在1.2 GHz时，芯片载体中引线键合
底的CNT-FET被切割挑 的放大器1和2的最大稳定增益（MSG）
12 选并安装到氧化铝芯片载 分别为16和17 dB。
体上。硬质氧化铝芯片载 NI-AWR Microwave Office曾设计了
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体可应用引线键合，同时 一款放大器输入输出匹配电路，以实现
8 也能使更软的低损耗射频 1.2 GHz附近的最大增益。选定的CNT-
Gain (dB) 6 材料用于射频PCB。加州 FET栅极区域小，致使输入电容也极小
大学洛杉矶分校的高频电
（<0.6 pF），这造成1.2 GHz时的高容性
4 子中心（UCLA CHFE） 栅极阻抗约为220Ω，需要大约31nH的
采用激光加工工具实现了 栅极电感来匹配。在这样的条件下，使
2 254μm厚氧化铝芯片载体 用集总元件可以节省空间并取得比单独
的金属化成形及绘制过 使用微带元件更高的Q值和增益。
0
950 1050 1150 1250 1350 1450 1550 1650 程。该技术能够在焊盘后 我们将微带调谐元件及偏置网络元
Frequency (MHz) 面形成凹坑，以减少寄生 件蚀刻到Rogers R04350B射频基板上，
(b)
电容。芯片载体设计包括 使用导电环氧树脂将无源元件粘合到
图4：放大器1的输入和输出|S 11 |（a）及增益（b）。 了探针焊盘结构，使得 PCB上，而后将PCB粘合到铝制外壳里

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