Научные сотрудники Китайской академии наук изготовили первый в мире барьерный транзистор на основе вертикальной двумерной гетероструктуры, которую образовали слои кремния, графена и германия. Экспериментальный образец использует управляемое квантовое туннелирование на границе разнородных материалов, что позволяет обойти классические ограничения времени пролёта носителей заряда через канал прибора. Расчётная граничная частота нового транзистора достигает одного терагерца, и это значение открывает перспективу создания компонентной базы для будущих сетей шестого поколения.
Терагерцевый диапазон частот, занимающий полосу от 0.1 до 10 терагерц, располагается между микроволновым и инфракрасным участками электромагнитного спектра. Освоение этой полосы сулит скорости передачи данных, которые на порядок превышают возможности современных миллиметровых систем пятого поколения. Сети 6G, чьё коммерческое развёртывание прогнозируют на начало 2030-х годов, предположительно потребуют несущих частот порядка 0.3–1 терагерца, чтобы обеспечить пиковые скорости в сотни гигабит в секунду. Ключевым препятствием для практической реализации подобных систем выступает отсутствие компактных твердотельных усилителей, генераторов и смесителей, способных работать на терагерцевых частотах при комнатной температуре. Классические кремниевые транзисторы упираются в физический потолок, обусловленный конечным временем дрейфа электронов от истока к стоку через полупроводниковый канал. Даже самые совершенные приборы на арсениде галлия или фосфиде индия с длиной затвора менее 10 нанометров редко преодолевают планку 0.8 терагерца в лабораторных условиях.
Группа из Института физики Китайской академии наук предложила иной механизм управления током. Вместо того чтобы разгонять носители вдоль канала, исследователи выстроили вертикальный стек из трёх атомарно тонких слоёв. Нижний слой кремния играет роль истока, средний монослой графена служит базой, а верхний слой германия выполняет функцию стока. Графен в этой конструкции выступает барьером, чья прозрачность для электронов регулируется напряжением на затворе. Когда потенциал затвора изменяется, меняется форма потенциального барьера, и электроны туннелируют сквозь графеновый лист из кремния в германий. Поскольку толщина монослоя графена составляет всего 0.34 нанометра, электроны преодолевают это расстояние практически мгновенно, и время переключения прибора лимитируется не временем пролёта, а квантово-механической вероятностью туннельного перехода и паразитными ёмкостями структуры. Расчёты, опубликованные авторами, показывают, что предельная частота отсечки по току для такой архитектуры составляет 1.02 терагерца при комнатной температуре.
Технология выращивания гетероструктуры также представляет научный интерес. Исследователи применили метод молекулярно-лучевой эпитаксии в сверхвысоком вакууме для последовательного осаждения слоёв кремния и германия, а графеновый монослой перенесли методом сухого трансфера с медной фольги, на которой его предварительно синтезировали методом химического осаждения из газовой фазы. Качество интерфейсов между слоями контролировали с помощью просвечивающей электронной микроскопии высокого разрешения и спектроскопии комбинационного рассеяния. Полученные изображения подтвердили, что графен сохраняет целостность кристаллической решётки после переноса, а границы с кремнием и германием не содержат оксидных включений. Этот результат важен, поскольку дефекты на интерфейсах создают дополнительные центры рассеяния, которые снижают эффективность туннелирования и ухудшают воспроизводимость характеристик прибора.
Практическое внедрение барьерных транзисторов нового типа столкнётся с рядом технологических вызовов. Первый из них — масштабирование. Пока исследователи изготовили единичные лабораторные образцы с площадью затвора порядка нескольких квадратных микрометров. Переход к интегральным схемам потребует разработки методики массового переноса графена на кремниевые пластины диаметром 200 или 300 миллиметров с приемлемым выходом годных структур. Второй вызов связан с тепловыделением. Несмотря на то что туннельный механизм теоретически генерирует меньше джоулева тепла, чем дрейфовый перенос, работа на частоте в один терагерц при сколь-либо заметной мощности сигнала вызовет нагрев, который необходимо эффективно отводить. Третий аспект — интеграция с существующей кремниевой технологией. Сама по себе гетероструктура кремний-графен-германий совместима с процессами кремниевых фабрик, поскольку и кремний, и германий давно применяются в производстве микросхем, однако графен остаётся относительно новым материалом для промышленной полупроводниковой индустрии.
Мировой рекорд, заявленный китайскими учёными, относится именно к классу барьерных транзисторов на вертикальных 2D-гетероструктурах. До этой работы максимальная частота для приборов аналогичной архитектуры составляла около 0.6 терагерца, и её достигли исследователи из Массачусетского технологического института в 2024 году на структуре дисульфид молибдена — графен — дисульфид вольфрама. В более широком классе твердотельных усилительных приборов абсолютный рекорд граничной частоты удерживают фосфид-индиевые транзисторы с высокой подвижностью электронов, для которых в 2023 году лаборатория Northrop Grumman продемонстрировала значение 1.15 терагерца. Однако те приборы изготавливают на дорогих подложках из фосфида индия с использованием технологии электронно-лучевой литографии, и их стоимость на порядки превышает стоимость кремниевых микросхем. Китайский подход с кремний-графен-германиевой гетероструктурой потенциально дешевле, поскольку опирается на базовый кремниевый процесс и исключает применение редкоземельных элементов или токсичных соединений.
Публикация результатов в рецензируемом журнале Nature Electronics в июне 2026 года сопровождалась редакционной заметкой, которая охарактеризовала работу как важный шаг на пути к посткремниевой наноэлектронике терагерцевого диапазона. Независимые эксперты, опрошенные изданием, отметили, что следующий необходимый этап — демонстрация не одиночного транзистора, а простейшей интегральной схемы, например кольцевого генератора из пяти или семи каскадов на этих приборах. Если такой генератор заработает на частоте выше 0.5 терагерца, это подтвердит технологическую зрелость разработки и привлечёт внимание производителей телекоммуникационного оборудования. Пока же достижение остаётся лабораторным рекордом, который фиксирует принципиальную возможность преодоления терагерцевого барьера с помощью квантового туннелирования в двумерных гетероструктурах на кремниевой платформе. Для Китая, который активно инвестирует в стандартизацию 6G и стремится занять лидирующие позиции в этой гонке, появление собственного высокочастотного транзистора служит аргументом в пользу технологической независимости от зарубежных поставщиков компонентов миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов.
