随着6G时代的到来，现代通信技术对半导体射频器件提出了更为严苛的要求：
更低延时：信息传输速度需达到前所未有的高度。
更大功率：支持更远距离、更高速率的数据传输。
更高速度：满足海量数据传输需求。
然而，传统硅基器件受限于材料本征特性，难以满足上述需求：
载流子迁移率有限：难以实现更高的频率和更快的开关速度。
击穿电压不足：难以在高功率应用中保持稳定。
材料和器件示意图: (a) 单晶金刚石衬底和金刚石 MOSFET 结构图; (b) 单层及多层石墨烯光学图和石墨烯 MOS‐FET 结构图; (c) 阵列碳纳米管 101.6 mm（4 英寸）晶圆材料和碳纳米管 MOSFET 结构图 图源：论文
为了突破传统硅基材料的瓶颈，碳基材料凭借其独特的物理化学性质，成为“后摩尔时代”备受瞩目的半导体材料之一，主要包括以下三种：
(一) 优异特性：
超宽带隙 (5.4 eV)：本征载流子浓度极低，器件可在更高温度下工作。
耐高温：在高温环境下仍能保持稳定性能，弥补传统材料在大功率高温场景下的不足。
深耗尽特性：在高反向偏压下形成深耗尽区，击穿电压更高，漏电流更低，效率更高。
超高热导率 (2000 W/m·K)：可快速散热，降低器件工作温度，提高可靠性。
超高载流子迁移率：
电子/空穴迁移率：4500/3800 cm²/(V·s)
饱和速度：2.5×10⁷ cm/s
(二) 制备挑战：
大尺寸高质量单晶金刚石生长困难：
CVD法：可实现大尺寸衬底制备，但位错缺陷密度较高。
HPHT法：可实现低位错密度，但难以实现大尺寸晶圆级制备。
外延生长：存在晶格常数不匹配问题，导致缺陷密度高。
掺杂难题：
n型掺杂：常见掺杂元素 (N、P) 形成较深施主能级，常温下难以电离，且掺杂原子在金刚石晶格中稳定性差，引入大量缺陷。
p型掺杂：B掺杂相对成熟，但n型金刚石制备仍面临挑战。
(三) 射频器件应用现状：
高温高功率应用优势明显：
金刚石MOSFET 在 450°C 下仍能保持良好稳定性。
氢终端金刚石MOSFET 在高温下表现出优异的电学性能。
射频性能优异：
栅长 100 nm 的金刚石MOSFET 电流截止频率 fT 和最高振荡频率 fmax 分别达到 45 GHz 和 120 GHz。
栅长 50 nm 的金刚石MOSFET fT 达到 53 GHz。
氢终端金刚石MESFET fmax 达到 103 GHz。
高功率输出能力突出：
栅长 450 nm 的氢终端金刚石MOSFET 在 2 GHz 下获得 1.04 W/mm 的输出功率密度。
(四) 未来展望：
材料制备：
突破大尺寸、高质量单晶金刚石生长技术。
提升掺杂效率，特别是 n 型金刚石制备技术。
器件工艺：
改善金刚石与栅介质界面质量，降低界面态密度，提升载流子迁移率。
(一) 独特性质：
超薄结构：有效降低寄生电容和电阻，拥有更好的高频响应能力。
超高载流子迁移率 (>100,000 cm²/(V·s))： 接近理论值，在射频领域极具应用潜力。
零带隙特性：
优点： 在频率变换（倍频、混频等）方面具有独特优势。
(二) 制备方法：
自上而下：
机械剥离： 制备的石墨烯质量高，但产量低，难以大规模应用。
液相剥离： 难以控制石墨烯层数和均匀性。
电化学剥离： 可实现层间剥离，但可能引入杂质。
自下而上：
CVD法： 可制备大面积高质量石墨烯，但转移过程可能造成污染和损伤。
射频晶体管性能优异：
首个石墨烯MOSFET 截止频率 fT 达到 14.7 GHz。
栅长 67 nm 的石墨烯MOSFET fT 达到 427 GHz。
金属 Au 覆盖转移结合 T 型栅工艺的石墨烯射频晶体管 fmax 达到 200 GHz。
射频电路应用：
倍频器： 利用石墨烯双极性特点，可实现高效的二倍频和四倍频。
(四) 未来展望：
材料制备：
提升大尺寸、高质量石墨烯的制备工艺，包括生长、转移和清洗工艺。
带隙调控：
开发更有效的带隙打开方法，扩展石墨烯MOSFET 在射频领域的应用范围。
器件工艺：
(一) 独特性质：
超高载流子迁移率 (100,000 cm²/(V·s)) 和 超薄体 (1~3 nm)： 有望延续摩尔定律的发展。
带隙多样：
宽带隙碳纳米管： 开关比大，可用于数字逻辑电路。
窄带隙碳纳米管： 具有双极性，可用于频率变换应用。
(二) 射频器件应用现状：
射频晶体管性能优异：
首个碳纳米管射频晶体管 fT/fmax 达到 8 GHz/10 GHz。
碳纳米管薄膜射频晶体管 fT-int 达到 30 GHz。
碳纳米管阵列射频晶体管 fT/fmax 达到 100 GHz/70 GHz。
射频电路应用：
倍频器： 可实现高效的倍频功能，例如利用双极性特点实现 2 kHz 输出信号。
放大器： 碳纳米管射频晶体管在功率放大和线性度方面展现出应用潜力。
(三) 未来展望：
材料制备：
突破大尺寸 ( >203.2 mm )、高纯度 ( >99.9999% )、高密度 ( >200 根/微米 )、高取向和低缺陷的碳纳米管材料制备技术。
器件工艺：
提升碳纳米管与高k 栅介质界面质量，降低界面态密度。
碳基材料以其优异的电学性能和独特的物理化学性质，为射频电子器件的发展带来了新的机遇：
金刚石： 在高压、高温和大功率应用领域展现出巨大潜力。
石墨烯： 在高频和频率变换方面具有独特优势。
然而，要实现碳基射频电子器件的进一步发展和产业化，仍需在材料生长、器件制备和工艺优化等方面进行更深入的研究。
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