6G通信的關(guān)鍵器件來(lái)了！我國(guó)成功研制新型關(guān)鍵晶體管？

最近被一則消息刷屏了。

6月8日，中國(guó)科學(xué)院金屬研究所對(duì)外公布：孫東明、劉馳團(tuán)隊(duì)聯(lián)合多家科研單位，成功研制出國(guó)際上首款實(shí)現(xiàn)射頻測(cè)試的硅-石墨烯-鍺勢(shì)壘晶體管。

中國(guó)科學(xué)院金屬研究所

相關(guān)成果已于北京時(shí)間6月6日發(fā)表于國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《自然·通訊》。

這不是一次普通的科研進(jìn)展，而是直接關(guān)系到未來(lái)通信產(chǎn)業(yè)格局的重大突破。

一、傳統(tǒng)晶體管走到了物理天花板

要理解這次突破的重量，得先搞清楚一個(gè)問(wèn)題：為什么我們需要新型晶體管？

5G已經(jīng)在全國(guó)鋪開，6G預(yù)研正在加速推進(jìn)。物聯(lián)網(wǎng)、超高速傳感、智能通信系統(tǒng)，這些東西對(duì)晶體管的運(yùn)行速度提出了前所未有的要求——工作頻率必須突破1太赫茲。

傳統(tǒng)的高頻晶體管，比如高電子遷移率晶體管和異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管，它們的性能受限于電子在材料里跑得太慢，根本滿足不了太赫茲頻段的需求。

傳統(tǒng)晶體管

后來(lái)科學(xué)家們想到了一個(gè)新思路：用石墨烯這種二維材料來(lái)做晶體管的基區(qū)。因?yàn)槭┲挥性蛹?jí)厚度，電子穿過(guò)去的時(shí)間極短，理論上很適合做高頻器件。

但這條路也不好走。量子隧穿勢(shì)壘和界面缺陷問(wèn)題一直解決不了，導(dǎo)致電子到處亂撞，電流增益和高頻性能上不去。

這就是整個(gè)行業(yè)的“卡脖子”難題。誰(shuí)能解決這個(gè)問(wèn)題，誰(shuí)就能搶占下一代通信技術(shù)的制高點(diǎn)。

二、中國(guó)人的解決方案：硅-石墨烯-鍺“三明治”

聯(lián)合團(tuán)隊(duì)想出了一個(gè)新架構(gòu)：硅-石墨烯-鍺勢(shì)壘晶體管。

怎么做出來(lái)的？他們先在鍺襯底上用化學(xué)氣相沉積長(zhǎng)出一層晶圓級(jí)單晶單層石墨烯，再把單晶硅膜精確堆疊上去，形成一個(gè)高質(zhì)量的“三明治”垂直異質(zhì)結(jié)構(gòu)。

硅-石墨烯-鍺勢(shì)壘晶體管結(jié)構(gòu)示意圖

這個(gè)結(jié)構(gòu)有多厲害？

利用石墨烯與硅、鍺界面形成的不對(duì)稱肖特基勢(shì)壘，再結(jié)合石墨烯的量子電容效應(yīng)來(lái)調(diào)控功函數(shù)，鍺端的電流變化幅度遠(yuǎn)大于硅端，產(chǎn)生的共射極電流增益高達(dá)1.8×10?——這是目前所有已報(bào)道晶體管中的世界最高紀(jì)錄。

在射頻實(shí)測(cè)中，這款晶體管的本征截止頻率達(dá)到了132GHz，超越了此前所有垂直二維基區(qū)晶體管的最高水平

更讓人振奮的是下一步：團(tuán)隊(duì)通過(guò)器件建模與仿真分析發(fā)現(xiàn)，只要優(yōu)化材料摻雜濃度、降低接觸電阻、縮減寄生效應(yīng)，這款器件的理論工作頻率有望突破1THz，真正進(jìn)入太赫茲應(yīng)用頻段。

這就是為什么業(yè)界把這則消息稱為“刷屏級(jí)”的重大突破。

三、這次突破帶來(lái)的三個(gè)確定性變化

第一，技術(shù)路線打開了新通道。目前的射頻高頻器件主流路線要么是化合物半導(dǎo)體，要么依賴先進(jìn)制程。而硅-石墨烯-鍺勢(shì)壘晶體管走的是異質(zhì)材料集成路線，不依賴7nm/5nm這樣的先進(jìn)制程，為我國(guó)在“后摩爾時(shí)代”探索自主可控的高頻芯片技術(shù)提供了新路徑。

第二，6G通信的關(guān)鍵器件基礎(chǔ)已經(jīng)夯實(shí)。太赫茲頻段被公認(rèn)為6G的“黃金頻段”，但缺少能工作在該頻段的晶體管一直是瓶頸。現(xiàn)在，一款理論工作頻率能突破1THz的晶體管已經(jīng)從實(shí)驗(yàn)室走了出來(lái)。

2026年1月，我國(guó)已正式啟動(dòng)6G第二階段技術(shù)試驗(yàn)，累計(jì)突破300多項(xiàng)核心關(guān)鍵技術(shù)，持續(xù)至2027年底。這款晶體管如果順利產(chǎn)業(yè)化，將直接為6G通信提供“心臟”。

石墨烯電子器件概念圖

第三，石墨烯電子器件從“論文”走向“產(chǎn)線”邁出了標(biāo)志性一步。長(zhǎng)期以來(lái)，石墨烯被稱為“神奇材料”，但始終沒能真正進(jìn)入大規(guī)模商業(yè)應(yīng)用。這次是全球首款實(shí)現(xiàn)射頻測(cè)試的勢(shì)壘晶體管，意味著它不再只是實(shí)驗(yàn)室里的概念，而是真正可以被測(cè)試、被驗(yàn)證、被工程化的實(shí)物。

四、行業(yè)洗牌：誰(shuí)在受益，誰(shuí)在焦慮

這次突破的影響正在產(chǎn)業(yè)鏈上快速傳導(dǎo)。

原材料端，高質(zhì)量石墨烯的需求將大幅增長(zhǎng)。CVD法石墨烯制備設(shè)備也被推到聚光燈下，有望成為行業(yè)新標(biāo)準(zhǔn)。射頻代工端，太赫茲通信和6G射頻前端正是目標(biāo)市場(chǎng)，相關(guān)制造平臺(tái)將迎來(lái)新機(jī)遇。設(shè)備國(guó)產(chǎn)化主線同樣受益。

要知道，2026年國(guó)內(nèi)半導(dǎo)體設(shè)備國(guó)產(chǎn)化率約21%，相比2021年的9%已大幅提升，但仍有很大空間。此次晶體管雖然目前還是實(shí)驗(yàn)室階段的驗(yàn)證，但它驗(yàn)證的技術(shù)路線——異質(zhì)材料集成——有望繞開高端光刻機(jī)封鎖，對(duì)依賴傳統(tǒng)制程的國(guó)際巨頭形成挑戰(zhàn)。

全球市場(chǎng)也在同步關(guān)注。2025年全球石墨烯射頻器件市場(chǎng)規(guī)模約1.279億美元，預(yù)計(jì)到2032年將增長(zhǎng)至2.843億美元。全球石墨烯芯片市場(chǎng)規(guī)模2025年為32.5億美元，預(yù)計(jì)到2035年將增長(zhǎng)至211.5億美元。

但要注意，任何新技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室走向規(guī)模化商用，都需要2-3年的工程化迭代。從晶圓級(jí)均勻性控制、大規(guī)模良率提升，到配套封裝工藝開發(fā)，每一步都是硬骨頭。

五、不只是晶體管，更是一個(gè)時(shí)代的信號(hào)

就在這款晶體管發(fā)布的前幾天，工信部已經(jīng)批準(zhǔn)6GHz頻段用于6G技術(shù)試驗(yàn)。此前，中興通訊聯(lián)合紫金山實(shí)驗(yàn)室發(fā)布了業(yè)界首個(gè)面向6G光子太赫茲的實(shí)時(shí)全息沉浸式通信系統(tǒng)原型。日本團(tuán)隊(duì)也在560GHz頻段實(shí)現(xiàn)了100G級(jí)無(wú)線通信。

6G通信應(yīng)用場(chǎng)景概念圖

太赫茲通信這條賽道，全球都在搶跑。太赫茲頻段被視為6G通信、超高分辨率成像、無(wú)損檢測(cè)、深空通信等前沿領(lǐng)域的“黃金頻段”。

6G預(yù)計(jì)可實(shí)現(xiàn)每秒1太比特的數(shù)據(jù)速率，相當(dāng)于1秒就能傳輸250GB的文件，是5G峰值速率的100倍以上。

要跑出這個(gè)速度，天線、發(fā)射端、接收端，每個(gè)環(huán)節(jié)都需要突破。晶體管是其中最基礎(chǔ)、最核心的一環(huán)。

中科院金屬所這次打響了第一槍。但132GHz到1THz之間，還有很長(zhǎng)的路要走。

我們既要為這次突破感到振奮，也要清醒地看到差距。

你覺得這款硅-石墨烯-鍺勢(shì)壘晶體管，在5年內(nèi)能實(shí)現(xiàn)規(guī)模化商用嗎？最有可能率先落地在哪個(gè)場(chǎng)景——6G基站、汽車?yán)走_(dá)、還是可穿戴設(shè)備？

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