分类号 学号 D201577521 学校代码 10487 密级 博士学位论文 基于化学气相沉积石墨烯的高性能 射频器件和电路研究 学位申请人： 田猛串 学科专业： 微电子学与固体电 子学 指导教师： 吴燕庆 教授 答辩日期： 2020. 6. 10 A Dissertation Submitted in Partial Fulfillment of the Requirements for the Degree of Doctor of Philosophy in Education High-performance CVD Graphene Radio Frequency Devices and Circuits Ph.D. Candidate : Mengchuan Tian Major Microelectronics and Solid : State Electronics Supervisor : Co-Supervisor : Prof. Yanqing Wu Huazhong University of Science & Technology Wuhan, Hubei 430074, P. R. China June, 2020 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 摘 要 石墨烯作为一种零带隙的二维材料有着很多优异的性质，比如高迁移率、高饱 和速度、高热导率、可弯曲性等，可被广泛地应用于高速射频电路、气体传感、柔 性电子学等诸多方面。在射频电子学领域，学术界对石墨烯射频器件和电路的研究 已超过十年。到目前为止，石墨烯射频器件的性能得到了大幅提升，其本征截止频 率超过400 GHz，最大振荡频率高达200 GHz。然而目前对石墨烯射频电子学的研究， 一方面集中在单个器件或者由少数几个器件组成的电路，而在晶圆级石墨烯射频器 件方面的研究却寥寥无几。另一方面，绝大部分文献报道的石墨烯射频器件是基于 单层石墨烯，其功率增益较低，限制了其在高增益无线通信方面的应用。 在本文中，对晶圆级单层石墨烯射频器件的均一性以及贝纳尔堆叠双层石墨烯 的低频噪声和射频特性进行了详细研究。研究内容主要包括以下几个方面： 一、晶圆级单层石墨烯和大尺寸贝纳尔堆叠双层石墨烯的制备：利用化学气相 沉积生长方法，在铜箔盒子内表面生长出了大面积单层石墨烯薄膜。随后采用湿法 化学刻蚀方法将铜箔盒子内侧的石墨烯转移到4英寸HfSiO/Si晶圆衬底上。在整个晶 圆上，石墨烯拉曼光谱中2D峰半高宽平均值为35.57 cm-1，标准差为2.33 cm-1，对应 离散系数为0.07。此外，多层石墨烯在整个晶圆上占比低于6%，表明生长转移得到 的是高均一性晶圆级单层石墨烯薄膜。在贝纳尔堆叠双层石墨烯生长方面，主要利 用了铜箔盒子内部碳原子的外扩散机制。生长时间为120分钟时，在铜箔盒子外侧生 长出了尺寸接近100 µm高质量贝纳尔堆叠双层石墨烯单晶，进一步增加生长时间之 后贝纳尔堆叠双层石墨烯单晶尺寸超过600 µm。 二、双栅石墨烯器件制备工艺和贝纳尔堆叠双层石墨烯器件的低频噪声特性： 首先开发了两种制备石墨烯器件顶栅介质的方法，同时通过低温测量方法得出贝纳 尔堆叠双层石墨烯的带隙超过40 meV。接着研究了以原子层沉积生长双栅介质的贝 纳尔堆叠双层石墨烯器件的低频噪声特性。测试结果表明不同背栅偏压下器件的归 一化噪声谱密度和顶栅电压之间均为M型关系，且这种依赖关系可以很好地用 I 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 charge-noise模型来解释。在常温且频率为10 Hz时，器件的面积归一化噪声谱密度低 至3×10-10 μm2/Hz，是文献报道中石墨烯噪声水平的最优结果之一。 三、石墨烯射频器件物理和晶圆级单层石墨烯射频器件：首先介绍了基本射频 测量方面的知识，包括S参量定义和求解、射频测试系统校准和射频器件去嵌方法。 接着对石墨烯射频器件物理和小信号电路模型进行了详细介绍。在理论分析之后， 我们首次对4英寸HfSiO/Si晶圆上数百个石墨烯晶体管的直流和射频性能均一性进行 了系统研究。对于直流性能，栅极长度为0.8 µm的器件，其狄拉克点电压和最大跨导 对应的离散系数分别低至0.07和0.03。整个晶圆上所有栅极长度器件，最大跨导平均 值为398.7 μS/μm，标准差为53.3 μS/μm，对应离散系数为0.13。对于射频性能，整个 晶圆上所有器件的本征fT*Lg高达20 GHz·μm，fmax/fT离散系数低至0.11。这表明晶圆 级石墨烯射频器件不仅具有优异的性能，同时还具有非常高的均一性。 四、贝纳尔堆叠双层石墨烯射频器件和电路：首先采用不同背栅介质和不同厚 度顶栅金属改善贝纳尔堆叠双层石墨烯射频器件的性能。器件输出电流大且输出特 性曲线中电流饱和特性强，射频性能参数包括截止频率、最大振荡频率、开路电压 增益和正向功率增益相比单层石墨烯器件均有大幅提升。在温度为4.3 K时器件的截 止频率和最大振荡频率相比常温条件均提升了20%以上，同时温度高达500 K时器件 的fT*Lg高达7.8 GHz·μm。其次，我们详细研究了基于贝纳尔堆叠双层石墨烯射频器 件的混频器性能。对于有源混频器，变频增益随着器件开关比增加而增加，最佳变 频增益高达-7 dB，超越了所有文献报道的石墨烯混频器，且达到了商用III-V族混频 器水平。对于无源电阻式混频器，变频损耗和输入三阶交调点均随着器件开关比增 加而下降，最佳变频损耗低至12.7 dB，最大输入三阶交调点高达23 dBm。 关键词：晶圆级单层石墨烯，贝纳尔堆叠双层石墨烯，化学气相沉积，低频噪声， 射频器件，混频器 II 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 Abstract Graphene, a gapless two-dimensional material with the merits of ultrahigh carrier mobility, high velocity, high thermal conduction, and good bendability, has been widely investigated for wide applications ranging from high-frequency circuits, gas sensors, flexible electronics and so on. In the field of radio frequency (RF) electronics, graphene RF devices and circuits have been studied by academia for more than 10 years. As of today, tremendous progress has been made in graphene RF transistors with cutoff frequency fT of more than 400 GHz and maximum oscillation frequency fmax of up to 200 GHz. On the one hand, however, most results reported for graphene RF electronics are from individual or few devices and wafer-scale uniformity analysis is still lacking. On the other hand, the unsatisfactory power gain values in monolayer graphene (MLG) devices have become a bottleneck for high-gain graphene wireless communication circuits. In this thesis, we have systematically studied the uniformity of wafer-scale MLG RF devices and low-frequency noise and RF characteristics based on Bernal-stacked bilayer graphene (AB-BLG). The detailed research contains the following parts: 1. Growth of wafer-scale MLG film and large-area AB-BLG domains: large-area graphene film was grown on the inner surface of copper pocket by chemical vapor deposition (CVD) method. After growth, the graphene film was transferred onto a 4-in. high-resistivity Si substrate covered with an atomic layer deposited (ALD) HfSiO dielectric by a chemical etching transfer method. The average full width at half maximum (FWHM) of 2D peaks in wafer-scale graphene Raman spectrum is 35.57 cm-1 with a standard deviation of 2.33 cm−1, and the corresponding coefficient of variation (CV) of the FWHM is only about 0.07. In addition, the proportion of multilayer graphene in the whole wafer is less than 6%, indicating that wafer-scale MLG film with high uniformity is obtained. Furthermore, AB-BLG was grown on the exterior of the copper pocket by an external diffusion mechanism. After 120 min of growth, AB-BLG with multiple domains of around 100 μm can be obtained. Larger AB-BLG domains more than 600 μm can be obtained by further increasing the growth time. III 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 2. Dual-gate graphene devices fabrication and low-frequency noise characteristics of dual-gate AB-BLG devices: We developed two approaches to grow high-quality top-gate dielectric on graphene. The bandgap of more than 40 meV was obtained by a low-temperature measurement. Then we presented an experimental analysis of low-frequency noise in dual-gate graphene transistors based on CVD-grown AB-BLG. The results reveal an obvious M-shaped characteristic for the top-gate voltage dependent noise behavior at different fixed back-gate voltage, which can be well described by a charge-noise model. At 10 Hz, the minimal area normalized noise spectral density at room temperature reaches as low as 3×10-10 μm2·Hz-1, which is among the best results reported for graphene devices. 3. Graphene device physics and wafer-scale MLG RF devices: We firstly introduced basic RF measurement knowledge, including S-parameter definition, RF system calibration, and device de-embedding process. Then we presented a detailed analysis on the physical characteristics of graphene RF devices and proposed a corresponding small-signal model. After the theoretical analysis, a comprehensive statistical analysis of the uniformity of DC and RF characteristics simultaneously for hundreds of transistors in a 4-in. HfSiO/Si wafer was carried out for the first time. For devices with the same gate length of 0.8 μm, the CV for Dirac point voltage and peak transconductance is only 0.07 and 0.03, respectively. For all devices, the peak transconductance is 398.7 μS/μm with a standard deviation of 53.3 μS/μm, resulting in a CV of about 0.13. In addition, the intrinsic fT*Lg is high up to about 20 GHz·μm, which is among the best value for the graphene RF transistors. More importantly, the CV for the fmax/fT is as low as 0.11. These results show that high-performance wafer-scale graphene RF devices with high uniformity were obtained. 4. AB-BLG RF transistors and circuits: We firstly focused on improving the DC and RF performance of individual AB-BLG devices by using different back-gate dielectrics and top-gate metal with different thickness. These AB-BLG devices show large output current density with excellent current saturation. Meanwhile, the AB-BLG device RF performance metrics including fT, fmax, |Z21/Z11| and |S21|2 are significantly improved compared that of MLG devices. Both fT and fmax at 4.3 K show a more than 20% increase IV 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 compared to that of room temperature. Also, when the temperature reaches 500 K, the fT*Lg is high up to 7.8 GHz·μm. Then we systematically studied the performance of AB-BLG mixers. For the active mixer, the conversion gain improves with the increase of device On/off ratio and a record conversion gain of -7 dB has been demonstrated, surpassing all previous results, and approaching that of commercial III-V mixers. For the passive resistive mixer, both of the conversion loss (CL) and input third-order intercept point (IIP3) decrease when the device On/off ratio increases. The minimum CL is as low as 12.7 dB and the maximum IIP3 is high up to 23 dBm. Key words: Wafer-scale monolayer graphene, Bernal-stacked bilayer graphene, Chemical vapor deposition, Low-frequency noise, Radio-frequency device, Mixer. V 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 目 录 摘 要.............................................................................................................. (I) Abstract ..........................................................................................................(III) 1 绪论 1.1 选题背景及研究意义 ............................................................................(1) 1.2 石墨烯的基本结构和材料发展历程 ....................................................(4) 1.3 石墨烯射频器件和电路研究进展 ........................................................(9) 1.4 本论文的主要内容 ..............................................................................(14) 2 石墨烯化学气相沉积生长和材料表征 2.1 晶圆级单层石墨烯 ..............................................................................(16) 2.2 贝纳尔堆叠双层石墨烯 ......................................................................(23) 2.3 本章小结...............................................................................................(28) 3 贝纳尔堆叠双层石墨烯的低频噪声特性 3.1 双栅石墨烯器件的制备工艺 ..............................................................(29) 3.2 贝纳尔堆叠双层石墨烯带隙提取 ......................................................(32) 3.3 低频噪声测试 ......................................................................................(35) 3.4 本章小结...............................................................................................(43) 4 晶圆级单层石墨烯射频器件 4.1 射频器件结构和测试原理 ..................................................................(45) 4.2 射频系统校准和射频器件去嵌 ..........................................................(47) 4.3 石墨烯射频器件物理和小信号电路模型 ..........................................(50) 4.4 晶圆级单层石墨烯射频器件性能统计 ..............................................(55) VI 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 4.5 本章小结...............................................................................................(63) 5 贝纳尔堆叠双层石墨烯射频器件和混频电路 5.1 贝纳尔堆叠双层石墨烯射频器件性能优化 ......................................(64) 5.2 贝纳尔堆叠双层石墨烯有源混频器 ..................................................(75) 5.3 贝纳尔堆叠双层石墨烯无源电阻式混频器 ......................................(78) 5.4 本章小结...............................................................................................(89) 6 总结与展望 6.1 本文总结...............................................................................................(90) 6.2 下一步的工作和展望 ..........................................................................(92) 致 谢........................................................................................................(93) 参考文献........................................................................................................(95) 附录 1 攻读博士学位期间发表论文目录 .............................................(105) VII 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 1 绪论 1.1 选题背景及研究意义 2004年，K. S. Novoselov与A. K. Geim等人采用机械剥离法从块体石墨中成功制 备出了高质量的单层石墨烯[1]，首次证明了原子级厚度的超薄二材料能够在自然环境 中稳定存在。这项研究立刻在学术界和工业界引起了巨大轰动，随后石墨烯超高迁 移率[2, 3]、超高饱和速度[4, 5]、超高热导率[6]、无质量狄拉克费米子[7]等特性也陆续被 实验发现。2010年诺贝尔物理学奖被授予石墨烯的发现者，以表彰他们在二维材料 石墨烯领域的开创性实验。在这之后，二维材料发展非常迅速，除了石墨烯外，科 学家相继发现了更多种类二维材料，包括可调带隙半导体黑磷[8, 9]、较宽带隙过渡金 属硫族化合物半导体[10-12]以及绝缘体六方氮化硼[13]等。可以这么说，石墨烯的发现 引领了科学家在二维材料领域的研究。然而在另外一方面，我们必须面临的现实是 石墨烯商业化进程缓慢，到目前为止仍然没有出现石墨烯的大规模商业应用。在过 去16年里，石墨烯的研究大都是在大学实验室和政府投资项目下进行，而工业界对 石墨烯研究投入并没有达到足够高度。导致这种现象的原因一方面是石墨烯材料发 展不成熟，另外一方面是没有找到石墨烯“杀手锏”级别应用场合，即对传统材料 在各方面的应用没有绝对替代优势。 到目前为止，大部分已经实现石墨烯商业化应用的领域主要集中在多层石墨烯 甚至块体石墨制成的纳米片添加剂，主要用于增强其它材料的导电、导热、强度等 特性，以此应用在复合材料、塑料、储能等领域[14]，如图1-1所示。然而严格来说， 过厚石墨烯的性质接近石墨特性，并没有发挥出石墨烯本征优势。单层和少层石墨 烯本身就具备了石墨烯优异的性质，在电学、光学和磁学等领域有着广泛的应用前 景[14]，如图1-2所示。可看到在石墨烯众多的应用中，特别是单层和少层石墨烯在光 电子领域的应用，均没有出现在图1-1石墨烯商业化进程中，表明单层和少层石墨烯 的商业化应用是目前亟待解决的问题。工业界和学术界需加强在单层和少层石墨烯 应用领域的研发投入，从石墨烯材料本征优势出发充分发挥出石墨烯在高端光电子 领域的应用潜力。 1 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 图1-1 石墨烯的商业化进程[14]。 图1-2 石墨烯的应用[14]。 在2019年，T. Reiss等人预测了未来五年内石墨烯产品在不同应用领域的市场价 值和对应的年复合增长率(CAGR)[15]，如图1-3所示。可以看到，虽然石墨烯在电学 2 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 和光学器件方面应用的市场价值相对较低，但其年复合增长率几乎是所有石墨烯应 用领域中最高的，表明石墨烯材料在高端光电子器件领域有着巨大的应用潜力。 图1-3 石墨烯市场的复合增长率和市场规模的关系统计[15]。 硅基半导体器件是现今数字电路和模拟电路的核心，其性能随着器件特征尺寸 缩小而不断提升，即遵循著名的“摩尔定律”[16, 17]。其中数字电路要求器件具有较 大开关比和较低关态电流，以实现超低功耗电路。石墨烯零带隙特性使得石墨烯晶 体管开关比小，关态电流大，静态功耗高，限制了其在数字逻辑器件领域的应用。 在这样的背景下，充分利用石墨烯零带隙特性，是实现石墨烯在高端电子器件方面 应用的优先指导方向。另外一方面，作为通信领域核心基础的射频晶体管，对器件 关态电流没有严格的限制，而是要求器件具有高速和高增益特性。结合石墨烯高迁 移率和高饱和速度特性，石墨烯射频晶体管有望成为石墨烯在高端电子器件领域最 具有潜力的应用方向之一。 3 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 1.2 石墨烯的基本结构和材料发展历程 a b π σ B σ A a1 σ a2 π c d ky b1 E E b2 kx ky kx ky kx 图1-4 单层石墨烯的基本结构和性质 (a) 单层石墨烯晶格结构，其中a1和a2为原胞基矢量；(b) 单 层石墨烯中碳原子sp2轨道杂化；(c) 单层石墨烯的第一布里渊区示意图，其中b1和b2为倒格基矢 量；(d) K和K’矢量附近单层石墨烯线性能带示意图。 石墨烯是一种由碳原子以sp2杂化方式形成的六角蜂巢状二维材料[18]，晶格结构 如图1-4(a)所示。碳原子之间键长为1.42 Å，碳碳键之间夹角为120，每一个原胞(图 1-4(a)中红色虚线框所示)中包含了两个价键方向不同的A和B碳原子[19, 20]。每个碳原 子可以和周围三个碳原子结合形成三个σ键，另外一个2pz轨道上的电子在垂直于2pxy 平面方向形成π键，如图1-4(b)所示。π电子可以自由移动，赋予石墨烯良好导电性， 同时决定了石墨烯的能带结构。单层石墨烯晶格的第一布里渊区如图1-4(c)所示，其 倒格矢也是六边形[20]，且存在两个不等价波矢量中心K和K’。采用紧束缚模型近似计 算可以得到单层石墨烯在K和K’矢量附近的线性能量色散关系[21, 22]，如图1-4(d)所示。 能带图中导带底和价带顶相交于K和K’点，表明石墨烯是一个零带隙材料，其近似为 半金属性质。K和K’矢量点附近的能带色散关系近似表示为： E (k ) F |k| (1-1) 其中k为波矢量， F 为费米速度且其值近似为106 m/s，约为光速的1/300。另一方面， 4 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 根据相对论力学可以得出电子的能量为： E (k ) m2 F4 F2 k 2 (1-2) 其中m为载流子有效质量。结合公式(1-1)和(1-2)，可以推出K和K’矢量点附近石墨烯 中载流子有效质量为零，呈现出狄拉克费米子的特性[7]。将K和K’矢量点称为狄拉克 点，导带底和价带顶相交于狄拉克点，且关于狄拉克点对称，因此在理想的单层石 墨烯材料中，电子和空穴具有相同性质。 a b E 3.35 Å B2 A2 ky kx A1 B1 c d 0.3 E Eg ky Eg (eV) 0.2 0.1 kx 0.0 0 1 (eV) 2 3 图1-5 贝纳尔堆叠双层石墨烯的结构和性质 (a) 贝纳尔堆叠双层石墨烯晶格结构；(b) 本征贝纳 尔堆叠双层石墨烯能带图；(c) 打开带隙之后的贝纳尔堆叠双层石墨烯能带图；(d) 贝纳尔堆叠 双层石墨烯带隙和势能差 的关系[23]。 单层石墨烯通过层间范德华力结合可以形成一定堆叠方式的双层石墨烯，相邻 石墨烯的层间距约为3.35 Å，其中贝纳尔堆叠是双层石墨烯体系能量最低且最稳定的 堆叠方式。贝纳尔堆叠双层石墨烯基本晶格结构如图1-5(a)所示，每一个原胞中包含 了四个价键方向不同的A1、B1、A2、B2碳原子[24]。顶层石墨烯相对于底层石墨烯 斜着平移一个碳碳键长度，使得底层石墨烯的A1碳原子和顶层石墨烯的B2碳原子在 一条垂直线上，同时顶层石墨烯的碳原子A2位于相对应的底层石墨烯六边形中心位 5 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 置，整体结构具有层间反演对称性。具有层间反演对称性的贝纳尔堆叠双层石墨烯 能带如图1-5(b)所示，在狄拉克点附近能量和波矢之间为抛物线色散关系，其中一组 抛物线的导带底部和价带顶部相交，表明双层石墨烯带隙为零[24]。当贝纳尔堆叠双 层石墨烯层间反演对称性被破坏后，将导致其能带图中的导带底部和价带顶部分开， 能带中出现一定带隙Eg，如图1-5(c)所示。理论和实验证明，破坏这种反演对称性可 以使用外部垂直电场在贝纳尔堆叠双层石墨烯的上下层产生不为零的势能差 ，从而 打开贝纳尔堆叠双层石墨烯的带隙[23, 25]。研究表明，带隙的大小Eg随着能量差值 的 增加而增加[23]，如图1-5(d)所示。 传统的热力学统计认为，热涨落不允许任何二维晶体在非绝对零度下存在，这 一思维阻碍了二维材料的发展。然而这种情况在2004年被打破，英国曼彻斯特大学 的K. S. Novoselov与A. K. Geim等人采用机械剥离法[1]，直接从高定向热解石墨块体 中成功制备出高质量的单层石墨烯，发现其能够附着在衬底上且在自然环境中稳定 存在，这一突破性的实验研究开创了二维材料研究的先河。然而采用机械剥离方法 制备的石墨烯虽然质量较好，但却面临产量低、尺寸小、层数不可控的缺点，不适 合于石墨烯的规模化生产。除此之外，采用液相剥离法生产石墨烯面临和机械剥离 法同样的缺点[26]，采用碳化硅衬底外延法生产石墨烯面临价格高昂的问题[27]。2009 年，Rodney S. Ruoff团队利用化学气相沉积方法首次在铜箔衬底上制备出了大面积的 单层石墨烯[28]，且能采用湿法刻蚀方式将石墨烯转移到任意衬底上，制备出的石墨 烯晶体管电子迁移率高达4050 cm2/V·s。采用化学气相沉积方法生长石墨烯基本克服 了采用机械剥离、液相剥离和碳化硅衬底外延法制备石墨烯的缺点，因而在制备高 质量大面积石墨烯薄膜方面取得了快速发展[29-32]。特别提到的是，2017年北京大学 Kaihui Liu团队首先采用热退火方式将工业级多晶铜箔转变为铜(1,1,1)面单晶衬底 [33] ，使得后续采用化学气相沉积方式生长的石墨烯单晶保持相同晶体取向，相邻单 晶石墨烯融合之后不存在晶界。同时在铜箔衬底下面放置氧化物衬底SiO2，利用生 长过程中氧化物衬底在高温下释放出的氧辅助加快石墨烯在铜箔上的生长速度[31]， 超快速地制备出了米级尺寸石墨烯单晶薄膜，其方块电阻低至230 Ω/□，室温下迁移 率高达15000 cm2/V·s，这大大加速了大面积高质量单层石墨烯生长制备方面的发展， 6 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 其结果如图1-6所示。 a b c d 图1-6 米级尺寸单晶石墨烯薄膜的快速制备[33] (a) 采用卷对卷方式通过退火过程制备米级尺寸 单晶铜箔衬底；(b) 生长过程中采用SiO2衬底在高温下辅助释放氧，提升石墨烯的生长速率；(c) 单晶铜箔衬底上制备出的取向一致的石墨烯单晶；(d) 单晶石墨烯尺寸进一步增大至融合之后形 成无晶界的单晶石墨烯连续膜。 到了2019年，北京大学Zhongfan Liu团队在超洁净石墨烯的化学气相沉积制备方 面取得突破性进展[34]。他们发现在石墨烯的化学气相沉积生长过程中存在本征污染， 即会有额外碳聚合物吸附在生长的石墨烯表面，进而降低石墨烯薄膜的洁净度。针 对于此他们提出了气相反应调控化学气相沉积生长方法，创新性地使用泡沫铜辅助 催化去除了额外碳聚合物进而实现了超洁净石墨烯的制备。制备出的单层石墨烯透 光率达到97.6%，接近理论值。同时制备出的石墨烯器件接触电阻低至96 Ω·µm，使 用六方氮化硼介质包覆的单层石墨烯器件在1.9 K的低温下电子迁移率高达1083000 cm2/V·s，空穴迁移率高达625000 cm2/V·s，是迄今为止文献报道的石墨烯迁移率最高 值，其结果如图1-7所示。超洁净石墨烯相关的一系列成果为超高质量石墨烯的大规 模生产提供了重要指导。 7 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 a d c b f e 图1-7 超洁净石墨烯的生长[34] (a) 表面吸附有无定形碳聚合物的石墨烯薄膜的透射电子显微镜 图；(b) 采用泡沫铜辅助的化学气相沉积生长示意图；(c) 超洁净石墨烯薄膜的透射电子显微镜 图；(d) 石英衬底上不同层数的超洁净石墨烯薄膜的紫外可见光谱图；(e) 接触电阻和偏压的关 系；(f) 不同温度下石墨烯沟道电阻和偏压的关系。 相比于单层石墨烯，双层石墨烯的生长存在更多困难和挑战。在以铜箔为催化 衬底的双层石墨烯化学气相沉积生长过程中，当铜箔表面被长满的单层石墨烯覆盖 之后，铜箔表面失去催化活性，不能继续提供额外的碳原子维持双层石墨烯生长。 打破铜箔表面这种自限制的石墨烯生长方式是制备双层石墨烯的关键。其中一种方 法是采用具有较高碳原子溶解度的催化衬底(比如铜镍合金衬底)，增加碳原子在衬底 中的溶解度，在快速降温过程中溶解在衬底中的碳原子析出铜箔表面形成双层石墨 烯[35-40]。另外一种方法是采用铜箔盒子作为催化衬底，利用铜箔盒子内部碳原子的 外扩散机制生长双层石墨烯[41-44]。这种采用铜箔盒子作为催化衬底生长双层石墨烯 的方法可控性强，且制备出的双层石墨烯尺寸较大。采用铜箔盒子作为催化衬底生 长双层石墨烯的典型例子是2016年Rodney S. Ruoff团队在Nature Nanotechnology杂志 上的工作[43]。他们利用铜箔盒子作为催化衬底同时结合氧辅助催化过程降低碳原子 在铜箔体内的扩散势垒，在铜箔盒子外表面生长出了尺寸接近毫米级的贝纳尔堆叠 双层石墨烯单晶，其结果如图1-8所示。采用六方氮化硼作为双栅介质的贝纳尔堆叠 双层石墨烯器件在温度为1.7 K时，电子迁移率超过60000 cm2/V·s，开关比超过40000。 在平均电位移矢量为0.9 V/nm下提取出的最大带隙达到103 meV。这表明相比于单层 8 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 石墨烯，贝纳尔堆叠双层石墨烯不仅具有高载流子迁移率，还具有较大的带隙。 a b c d e f 图1-8 贝纳尔堆叠双层石墨烯的生长[43] (a) 铜箔盒子作为生长衬底；(b) 铜箔盒子外部大尺寸双 层石墨烯的扫描电子显微镜图；(c) 拉曼光谱中2D峰半高宽谱图；(d) 采用六方氮化硼作为双栅 介质的贝纳尔堆叠双层石墨烯晶体管结构示意图；(e) 贝纳尔堆叠双层石墨烯沟道电阻随着双栅 电压调控的变化关系；(f) 贝纳尔堆叠双层石墨烯带隙和平均电位移矢量的关系。 1.3 石墨烯射频器件和电路研究进展 石墨烯零带隙特性赋予其独特的性质，尤其是超高迁移率和超高饱和速度使其 特别适合于高速射频器件方面的应用。2008年，Inanc Meric等人在IEDM会议上首次 报道了基于顶栅结构的石墨烯射频晶体管[45]，其使用机械剥离的石墨烯作为沟道材 料，栅极长度为500 nm的晶体管截止频率为14.7 GHz，揭开了石墨烯在射频领域的研 究热潮。2009年，Yu-ming Lin等人在Science杂志上报道了IBM团队基于碳化硅衬底 外延生长石墨烯材料的射频器件性能 [46] ，截止频率首次达到100 GHz。2011年， Yanqing Wu等人在Nature杂志上报道了IBM团队在类金刚石衬底上制备的石墨烯射 频器件性能[47]，截止频率高达155 GHz。另外一方面，基于化学气相沉积生长的石墨 烯材料制备的射频晶体管也取得了重要进展。2012年，Yanqing Wu等人在Nano Letters 杂志上报道的基于化学气相沉积法生长石墨烯的射频晶体管截止频率超过300 GHz， 最大振荡频率达到44 GHz[48]。到目前为止，基于石墨烯射频晶体管的最大截止频率 超过400 GHz[49, 50]，最大振荡频率达到200 GHz[51]。不同栅极长度石墨烯射频晶体管 9 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 的性能统计如图1-9所示[52]。 a b 图1-9 石墨烯射频晶体管[52] (a) 石墨烯的截止频率随着栅极长度的变化关系；(b) 石墨烯的最大 振荡频率随着栅极长度的变化关系。 a c b d 图1-10 石墨烯单片集成电路[53] (a) 石墨烯混频器电路原理图；(b) 石墨烯单片集成电路示意图； (c) 片上集成石墨烯电路的光学显微镜图；(d) 石墨烯混频器输出信号频谱图。 基于石墨烯的射频电路也取得重要进展。2011年，Yu-ming Lin等人在Science杂 志上报道了IBM公司制备的晶圆级石墨烯集成电路[53]，如图1-10所示。利用线性区石 墨烯沟道电阻和栅源电压、漏源电压的非线性关系实现混频的功能，成功制备出了 基于单个石墨烯射频晶体管的片上集成混频器，在本振信号频率为4 GHz和本振信号 功率为20 dBm时，变频损耗低至27 dB。同时发现这种类型的石墨烯混频器具有良好 的高温特性，变频损耗在400 K的高温下只变差了1 dB。2014年，Shu-Jen Han等人在 Nature Communications杂志上报道了IBM公司制备的集成了石墨烯放大器和石墨烯 10 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 混频器的两级接收机电路[54]，如图1-11所示。整块电路集成了三个石墨烯晶体管， 分别组成了接收机的放大电路部分和混频电路部分。石墨烯放大电路的功率增益在 4.8 GHz下达到4 dB，集成接收机系统变频损耗低至10 dB，整个石墨烯集成电路性能 得到极大的提升。 a b c 图1-11 石墨烯集成电路[54] (a) 石墨烯接收机电路原理图；(b) 单片集成石墨烯接收机电路示意 图； (d) 石墨烯接收机频谱图。 和传统硅基等半导体器件相比，石墨烯器件具有双极导电性，即电子和空穴均 参与导电，利用石墨烯双极导电性特性可以实现高频谱纯度的倍频器和有源混频器。 2010年，Han Wang等人在IEEE Electron Device Letter杂志上首次报道了基于石墨烯双 极导电性原理的倍频器和有源混频器[55]。利用石墨烯中电子和空穴均参与导电的特 性，当石墨烯器件偏置在狄拉克点电压时，石墨烯器件输出信号近似为输入信号的 偶函数，导致石墨烯倍频器和混频器中奇次谐波被抑制，表现出极高频谱纯度。在 本振信号为10.5 MHz时，倍频器频谱纯度超过90%，混频器变频增益为-35 dB，输入 三阶交调点为13.8 dBm，其结果图1-12所示。这种基于石墨烯双极导电性原理制备的 电路得到了较大关注，性能也得到了较大提升，到目前为止，石墨烯倍频器的频率 高达16 GHz[56] ，混频器最大变频增益接近-5 dB[57] ，最大输入三阶交调点高达29 dBm[58]。然而这种混频器的操作频率和石墨烯晶体管本身截止频率和最大振荡频率 11 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 密切相关，限制了其在超高频混频器方面的应用。另外一方面，这种有源混频器在 实际应用中需要将器件偏置在饱和区，以便获得较大变频增益，这将导致较大的静 态功耗。 a b c d 图1-12 石墨烯有源混频器[55] (a) 石墨烯的双极导电输出特性；(b) 有源混频器电路原理图；(c) 石墨烯倍频器频谱图；(d) 石墨烯有源混频器频谱图。 除此之外，另一种基于石墨烯的无源电阻式混频器也得到了广泛研究和关注。 2012年，Omid Habibpour等人在IEEE Electron Device Letter杂志上首次报道了基于石 墨烯的亚谐波电阻式混频器[59]，如图1-13所示。其利用了石墨烯的沟道电阻可随着 本振信号变化，从而在器件漏极端口产生时变反射信号，当在漏极端口施加输入信 号时，会在输出端口产生混频效果。在输入射频信号频率为2 GHz条件下混频器的变 频损耗低至24 dB，1 dB压缩点为-6 dBm。和有源混频器相比，这种无源电阻式混频 器工作时不需要施加漏源电压，静态功耗小。同时这种混频器的操作频率上限由石 墨烯器件的时间常数决定[60]，混频器操作频率可以达到很高值[61-63]。这种类型的石 墨烯混频器拥有较低变频损耗和非常高的线性度[64, 65]，因而得到了极大的关注。到 了2018年，基于这种类型混频器制作的石墨烯单片接收机集成电路[62]，操作频率超 12 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 过200 GHz，变频损耗低至25 dB，如图1-14所示。这种混频器的变频损和石墨烯沟道 电阻变化范围有关，即和器件开关比直接相关[66]，单层石墨烯器件较低开关比限制 了这种混频器的变频损耗。可以预见的是，具有高开关比的贝纳尔堆叠双层石墨烯 器件能够用于低变频损耗的无源电阻式混频器。 a b c d 图1-13 石墨烯亚谐波无源电阻式混频器[59] (a) 无源电阻式混频器示意图；(b) 变频损耗随着本振 信号功率的变化；(c) 输出中频信号功率随着输入射频信号功率的变化关系；(d) 变频损耗随着 输入射频信号频率的变化关系。 a b 图1-14 石墨烯接收机电路[62] (a) 基于无源电阻式混频原理的石墨烯集成接收机电路；(b) 接收机 变频损耗随着本振信号功率的变化关系。 13 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 1.4 本论文的主要内容 本文主要围绕晶圆级单层石墨烯和大尺寸贝纳尔堆叠双层石墨烯，从材料生长 表征出发，首先制备出了高质量高均一性的石墨烯薄膜。接着采用微纳工艺制备出 了高性能的双栅石墨烯器件。最后使用直流、低频噪声和射频参数测试系统，对晶 圆级单层石墨烯射频器件均一性、贝纳尔堆叠双层石墨烯的直流特性、低频噪声特 性和射频特性进行了系统研究。整体研究思路是从石墨烯的低频特性研究到高频特 性，从单层石墨烯研究到贝纳尔堆叠双层石墨烯。 第一章为绪论部分。首先分析了石墨烯材料的商用化进程，指出当前石墨烯领 域发展的不足，进而引出本论文研究方向。接着介绍了石墨烯的结构和基本性质， 从材料本征特性出发得出其在高速器件方面有着巨大的应用潜力。其次总结了近年 来石墨烯材料在制备方面取得的重要进展，表明高质量石墨烯材料的大规模生产在 加快。最后总结了石墨烯在射频器件电路方面的发展现状。 第二章就晶圆级单层石墨烯和贝纳尔堆叠双层石墨烯的化学气相沉积生长和拉 曼光谱表征进行了详细介绍。在晶圆级单层石墨烯生长方面，以铜箔盒子作为催化 衬底，在氩气氛围下对铜箔盒子退火处理，之后调整生长过程中甲烷和氢气流量， 摸索出了在铜箔盒子内部生长大尺寸单晶石墨烯和大面积石墨烯连续膜的条件。在 贝纳尔堆叠双层石墨烯生长方面，同样是以铜箔盒子作为催化衬底，但采用的是氢 气退火过程。利用铜箔盒子内碳原子的外扩散机制在铜箔盒子外表面上生长出了大 尺寸双层石墨烯。接着利用拉曼光谱仪表征了转移到4英寸HfSiO/Si晶圆上的石墨烯 的均一性。最后利用拉曼光谱仪表征了双层石墨烯的堆叠方式以及不同衬底对双层 石墨烯的掺杂效应。 第三章研究了贝纳尔堆叠双层石墨烯的直流特性和低频噪声特性。首先介绍了 两种石墨烯器件顶栅介质的制备工艺，一种是使用电子束蒸发2 nm铝作为种子层， 然后使用原子层沉积在高温下生长15 nm Al2O3作为顶栅介质。另外一种是直接使用 电子束蒸发生长80 nm铝作为顶栅电极，利用铝表面形成的超薄Al2O3作为顶栅介质。 接着研究了贝纳尔堆叠双层石墨烯器件开关比随着双栅电压和温度的变化关系，采 用低温测量方法提取了贝纳尔堆叠双层石墨烯的带隙。最后以双栅贝纳尔堆叠双层 14 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 石墨烯器件为基础，研究了其低频噪声随着器件栅极长度和双栅电压的变化关系， 同时利用charge-noise模型成功解释了噪声和顶栅电压之间的M型依赖关系。 第四章研究了晶圆级单层石墨烯器件直流特性和射频特性的均一性。首先分析 了射频系统校准和射频器件去嵌方法。接着分析了石墨烯射频器件的基本结构和物 理模型，利用石墨烯小信号电路模型导出了射频器件的基本参数，包括截止频率、 最大振荡频率、开路电压增益和正向功率增益。最后以制备出的晶圆级石墨烯器件 为基础，研究了直流性能和射频性能在整个晶圆上的均一性，得到了高性能且高均 一性的石墨烯射频器件。 第五章研究了贝纳尔堆叠双层石墨烯射频器件和电路。首先采用不同衬底和不 同厚度顶栅金属优化贝纳尔堆叠双层石墨烯器件的射频性能，同时还研究了器件在 低温和高温下射频性能的变化规律。接着以高性能贝纳尔堆叠双层石墨烯射频器件 为基础研究了有源混频器和无源电阻式混频器。在有源混频器的研究中发现变频增 益随着器件开关比增加而增加。对于无源电阻式混频器，研究了变频损耗随着双栅 电压、器件栅极长度、器件开关比和测试温度的变化关系，同时还研究了其线性度 随着器件开关比和双栅电压的变化关系。 第六章对整个论文的工作进行了总结并提出了展望。 15 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 2 石墨烯化学气相沉积生长和材料表征 2.1 晶圆级单层石墨烯 2.1.1 晶圆级单层石墨烯生长 a b 加热区 10 cm LPCVD系统 c 1070 ℃ CH4+H2 铜箔盒子 图2-1 低压化学气相沉积系统 (a) 带有电脑控制的化学气相沉积系统；(b) 炉子内部加热区示意 图；(c) 石墨烯生长示意图。 本文采用低压化学气相沉积系统(LPCVD)进行石墨烯生长。整个系统如图2-1(a) 所示，包含了3英寸石英管、电阻加热区、抽真空的机械泵、供气管道和电脑控制系 统。炉子为单温区加热系统，加热区长度为10 cm，如图2-1(b)所示。在石墨烯生长 过程中，将炉体加热到1070 ℃，以甲烷(CH4)作为碳源，铜箔作为催化衬底，氢气(H2) 作为辅助气体进行不同层数石墨烯生长，整个生长过程如图2-1(c)所示。在高温下， 甲烷在铜箔和氢气的共同作用下裂解成碳原子基团，碳原子基团再重新结合形成石 墨烯。氢气在石墨烯生长过程中有两个作用[67]，一方面促进铜箔表面碳原子基团之 间结合，另一方面通过刻蚀石墨烯边沿进而控制石墨烯的形状和尺寸。石墨烯在铜 箔上的生长是一个自限制过程[68, 69]，当铜箔表面被石墨烯完全覆盖后，铜箔失去对 16 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 甲烷催化裂解的能力，石墨烯生长停止。碳原子基团在铜箔中溶解度极低，在降温 过程中不会因为铜箔体内碳原子析出而形成多层石墨烯，从而保证了铜箔表面生长 的石墨烯为大面积单层薄膜。此外，采用平面铜箔作为衬底生长石墨烯时，暴露在 铜箔衬底两个表面的甲烷浓度均较高，会导致石墨烯生长过程中成核密度过大，从 而得到多晶界的石墨烯薄膜。为避免这种情况，我们借鉴了文献中采用铜箔盒子作 为催化衬底生长大尺寸单晶石墨烯的方法[29, 70]。采用铜箔盒子作为催化衬底生长石 墨烯过程中，当通气量达到平衡状态时铜箔盒子内部甲烷浓度远小于盒子外部，盒 子内部裂解得到的碳原子基团浓度低，使得铜箔盒子内部石墨烯的成核密度低且生 长速度慢，有益于生长出大尺寸单晶石墨烯。 a b c d e f 图2-2 铜箔盒子的制作方法 (a) 准备一块大尺寸的平整铜箔；(b) 将平整的铜箔对折；(c)-(e) 依 次将对折之后的铜箔其余三条边用镊子折起封闭；(f) 制备完成的铜箔盒子。 制作铜箔盒子的流程如图2-2所示，首先准备一块平整铜箔，使用过硫酸铵溶液 对铜箔进行清洗，除去铜箔表面的染污物，得到如图2-2(a)所示的大尺寸平整铜箔。 接着将平面铜箔对折，同时避免上下两面铜箔接触(防止高温下铜箔上下两个面融合 在一起)，用镊子依次将铜箔盒子其余三条边折起，形成一个宏观上完全封闭的铜箔 盒子，如图2-2(b)-(f)所示。整个过程需保证铜箔平整，避免过多的褶皱对后续石墨烯 生长和转移造成影响。将得到的铜箔盒子放入石英管炉子中心位置，使用机械泵将 17 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 石英管内的真空抽到1 Pa以下，同时将炉子升温至1070 ℃ 。在石墨烯生长之前，先 在纯氩气环境中对铜箔退火处理60分钟，一方面用来增加铜箔表面的晶粒尺寸，另 一方面钝化铜箔表面以降低铜箔表面的催化活性，两者均能降低石墨烯生长过程中 的成核密度[71]。在石墨烯生长开始阶段，一部分碳原子基团参与成核，另外一部分 碳原子基团接触已有的成核点以增大石墨烯尺寸。在后续生长过程中，碳原子基团 参与石墨烯成核需要的能量大于碳原子基团继续在已有核点周围生长石墨烯所需的 能量。在这种情况下，钝化的铜箔和较低的甲烷通气量会使催化裂解得到的碳原子 基团主要参与石墨烯的生长而不会产生新的成核点。退火处理后切断氩气，往石英 管中通入甲烷和氢气开始石墨烯的生长。氩气的存在会增加石墨烯的成核密度，生 长过程中切断氩气有利于进一步降低成核密度。 a b c d e 图2-3 单层石墨烯单晶和大面积单层石墨烯薄膜 (a) 铜箔盒子内部的石墨烯单晶，比例尺为2.5 mm；(b) 铜箔盒子内部长满的石墨烯薄膜，比例尺为2.5 mm；(c)-(e) 大尺寸单晶石墨烯。 在优化生长工艺后，退火过程采用100 sccm氩气，在1070 ℃下退火60分钟。生 长过程采用0.5 sccm甲烷和60 sccm氢气，在1070 ℃下生长8小时。生长之后将铜箔盒 子展开，放在200 ℃的热台上加热3分钟，没有被石墨烯覆盖的铜箔高温下氧化变色， 被石墨烯覆盖的铜箔不会被氧化，利用这种差异可观察到如图2-3(a)所示的石墨烯单 晶。在此条件下得到的石墨烯单晶成核密度低，单晶尺寸大，最大单晶尺寸超过3 mm， 18 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 如图2-3(c)-(e)所示。进一步增加生长时间至10小时，可在铜箔盒子的内表面得到连 续的单层石墨烯薄膜，如图2-3(b)所示。适当增加甲烷流量(不超过1 sccm)，在保证 单晶石墨烯尺寸超过1 mm条件下，可以减少生长石墨烯连续薄膜所需时间。 2.1.2 晶圆级石墨烯转移 a b c d e f g h 图2-4 湿法刻蚀转移石墨烯的流程 (a) 用胶带将展开的铜箔以内表面朝上的方式固定在PET衬 底上；(b) 匀PMMA胶；(c) 热板加热烘烤固化PMMA；(d)-(e) 去掉PET衬底，用制作的PET方框 固定铜箔平面；(f) 将PET方框固定住的铜箔放入过硫酸铵溶液中刻蚀；(g) 使用去离子水冲洗去 除铜箔背面的石墨烯；(h) 待铜箔衬底刻蚀完毕后，用目标衬底将PMMA/石墨烯薄膜缓慢捞出。 生长在铜箔衬底上的石墨烯不能直接用来制备电子器件，需要将石墨烯转移到 合适的目标衬底上。石墨烯的转移方式有多种，包括湿法化学刻蚀转移[72, 73]、鼓泡 法转移[74, 75]和干法转移[3]等，其中湿法化学刻蚀转移是最常用的转移方法。采用湿 法化学刻蚀转移石墨烯的流程如图2-4所示。第一步将生长好石墨烯的铜箔盒子展开， 整块铜箔展平且盒子内表面朝上，用胶带将展平铜箔的四条边固定在聚对苯二甲酸 乙二醇酯(PET)衬底上，如图2-4(a)所示。PET衬底的主要作用是避免后续操作过程引 起铜箔卷曲和褶皱。第二步将以PET衬底作为支撑的铜箔放在匀胶机上，旋涂一层聚 甲基丙烯酸甲酯(PMMA)作为后续石墨烯转移的保护层和支撑层，如图2-4(b)所示。 第三步将匀胶之后的铜箔放在热台上，在120 ℃的条件下烘烤5分钟，使PMMA充分 固化，增强和石墨烯表面的附着力，如图2-4(c)所示。第四步去掉PET衬底，制作一 个比铜箔尺寸稍大的PET方框，将整块铜箔用胶带固定在PET方框上，防止后续转移 过程中铜箔变形和褶皱，如图2-4(d)和(e)所示。铜箔盒子生长完石墨烯之后，铜箔的 19 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 正面和背面都覆盖有石墨烯，在转移过程中需要将铜箔盒子背面石墨烯去除。第五 步将匀有PMMA的铜箔衬底以正面朝上的方式，放入0.15 mol/L过硫酸铵溶液中刻 蚀，如图2-4(f)所示。待刻蚀30分钟左右，用镊子夹住PET方框将铜箔提出，使用去 离子水冲洗铜箔背面，去除铜箔背面的石墨烯，如图2-4(g)所示。之后重复图2-4(f) 过程，直到铜箔全部刻蚀干净，剩余PMMA/石墨烯薄膜漂浮在过硫酸铵溶液表面。 第六步将得到的PMMA/石墨烯薄膜用去离子水清洗多次，用目标衬底将整块薄膜缓 慢捞出，在流动氮气环境中自然晾干，如图2-4(h)所示。最后用丙酮去除PMMA，同 时辅以异丙醇去除残留丙酮和部分有机物，再用氮气枪吹干，完成转移。 a b 图2-5 转移到不同衬底上的石墨烯 (a) 转移到90 nm SiO2/Si上的石墨烯单晶；(b) 转移到20 nm HfSiO/Si上的石墨烯单晶。图中比例尺均为400 µm。 单层石墨烯只有原子层厚度，将其转移到目标衬底上之后，需要石墨烯和衬底之 间具有很强的对比度才能分辨出石墨烯形貌和层数。理论和实验得出，石墨烯在90 nm SiO2/Si上具有很强的对比度，可以在衬底上清晰地观察到石墨烯的形状且能区分 石墨烯的层数[76, 77]。图2-5(a)展示了转移到90 nm SiO2/Si衬底上的大单晶石墨烯，可 以看出石墨烯表面没有破洞，薄膜完整性好。另外只有很少部分小尺寸的多层石墨 烯位于单晶石墨烯的中心，这保证了大单晶石墨烯融合形成连续膜之后，只存在很 少部分的多层石墨烯，其余大面积都是单层石墨烯。单晶石墨烯的形状和铜箔衬底 的晶向密切相关，处于铜箔(111)面上的石墨烯为六边形[33]，而处于铜箔(110)面上的 石墨烯为四边形[78]。除了将石墨烯转移到90 nm SiO2/Si衬底上之外，我们还研究了将 石墨烯转移到高相对介电常数（简称高κ）介质衬底上的特性。转移到20 nm HfSiO/Si 20 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 衬底上的大单晶石墨烯如图2-5(b)所示，在这个衬底上石墨烯衬度不明显，虽然能分 辨出石墨烯的轮廓，但不能区分石墨烯的层数。 2.1.3 晶圆级石墨烯拉曼光谱表征 a b 强度 (a.u.) 2D G D 1350 1800 2250 拉曼频移 (cm-1) 2700 图2-6 晶圆级石墨烯拉曼光谱表征 (a) 拉曼光谱测试点分布；(b) 典型的单层石墨烯拉曼光谱。 图2-6(a)展示了转移到4英寸20 nm HiSiO/Si晶圆上的石墨烯光学显微镜图。使用 原子层沉积(atomic layer deposition，简称ALD)在电阻率为104 Ω·cm的高阻硅上生长 20 nm HfSiO介质，其κ值为18。高κ介质能够屏蔽界面处存在的电离杂质散射，有助 于提升石墨烯器件中载流子的迁移率[79, 80]。图2-6(a)中红色虚线表示整块晶圆上覆盖 有石墨烯的范围，覆盖率超过90%。拉曼光谱是表征石墨烯特性的重要方法，能得到 石墨烯的层数、堆叠方式和载流子掺杂浓度等信息[81, 82]。在图2-6(a)的整个晶圆上选 择90个点(10 ×9阵列)测量石墨烯的拉曼光谱, 以此来统计晶圆级石墨烯在材料层面 的均一性。图2-6(b)展示了具有代表性的单层石墨烯拉曼光谱图，其中横坐标是用波 数表示的拉曼频移(单位为cm-1)，纵坐标是拉曼散射强度(任意单位a.u.)，测量使用的 拉曼光谱激光波长为532 nm。石墨烯拉曼光谱图中存在3个典型的特征峰，分别是D 峰、G峰和2D峰[81]。D峰由石墨烯中的缺陷引起，对应的拉曼频移位置在1350 cm-1 附近，其强度越低表示石墨烯中的缺陷越少，石墨烯质量越高。G峰由石墨烯中碳原 子的径向伸缩振动引起，是碳原子固有的振动属性。G峰的拉曼频移位置在1580 cm-1 附近，易受到石墨烯中载流子掺杂浓度的影响。随着载流子掺杂浓度的增加，不管 是空穴掺杂还是电子掺杂，G峰的位置均会蓝移，且掺杂浓度越高G峰的半高宽(full width at half-maximum，简称FWHM)越窄[82]。2D峰由石墨烯中双声子参与的双共振 21 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 引起，对应的拉曼频移位置为2670 cm-1，是D峰位置的两倍，故2D峰也称为倍频峰。 2D峰同样受到石墨烯中载流子掺杂浓度的影响，电子掺杂会使得2D峰的位置红移， 而空穴掺杂会使得2D峰的位置蓝移[82]。在单层石墨烯中，2D峰的强度和G峰强度的 比值一般超过1，但其比值的大小同样受到载流子掺杂浓度的影响，掺杂浓度越高比 值越小[82]。在图2-6(b)中D峰的强度极弱，和本底接近以至可以忽略，表明生长转移 得到的石墨烯晶格完整，缺陷很少。G峰和2D峰的位置分别在1589 cm-1和2689 cm-1 附近，表明石墨烯薄膜整体表现出空穴掺杂的特性。 a b 44.85 6 4 2 0 2 4 6 8 10 统计数目 8 0 = 35.57 cm-1 = 2.33 cm-1 30 -1 2D 峰半高宽 (cm ) Y axis (行) 10 15 0.000 0 20 X axis (列) c 30 40 2D 峰半高宽 (cm-1) 50 d 1.900 6 4 = 1.3 = 0.2 30 统计数目 8 I2D/IG Y axis (行) 10 15 2 0 0 2 4 6 8 10 0.000 0 Y axis (列) 0 1 I2D/IG 2 图2-7 晶圆级石墨烯拉曼光谱分布统计图 (a)-(b) 拉曼光谱中2D峰半高宽在整个晶圆上的分布 图和统计图；(c)-(d) 拉曼光谱中2D峰和G峰强度比值在整个晶圆上的分布图和统计图。图中的μ 和σ分别表示高斯拟合分布中的平均值和标准差。 图2-7(a)和(b)分别表示整个晶圆上石墨烯拉曼光谱中2D峰半高宽的分布图和统 计图，其中统计图中的红色曲线表示高斯拟合分布(本论文中统计图的拟合全部为高 斯拟合)。可得到2D峰半高宽的平均值(μ)为35.57 cm-1，标准差(σ)为2.33 cm-1。定义 离散系数(coefficient of variation，简称CV)为标准差和平均值的比值，其值越小表明 对应的参数指标分布越集中，均一性越好。由此可得到整个晶圆上2D峰半高宽的离 散系数低至0.07，表明生长转移之后的石墨烯具有非常高的均一性。图2-7(c)和(d)分 22 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 别表示石墨烯拉曼光谱图中2D峰强度和G峰强度比值(I2D/IG)在整个晶圆上的分布图 和统计图，比值的平均值为1.3，标准差为0.2，同时整个晶圆上比值小于1的测试点 占比小于6%，表明整个晶圆上的石墨烯大部分为单层。晶圆级石墨烯拉曼光谱统计 研究表明，我们得到了高质量和高均一性的晶圆级单层石墨烯，这为后续制作高均 一性的晶圆级石墨烯器件提供了重要基础。 2.2 贝纳尔堆叠双层石墨烯 2.2.1 贝纳尔堆叠双层石墨烯生长和转移 研究发现，虽然碳原子在铜箔中的溶解度很低，但高温下碳原子在铜箔体内的 扩散速度很快[43]。铜箔盒子内部甲烷浓度低导致石墨烯生长的速度比盒子外部慢， 铜箔盒子外表面的石墨烯优先长满。此时铜箔盒子内部的石墨烯没有完全长满，存 在没有被石墨烯覆盖的裸露铜箔，能够继续催化甲烷裂解提供额外的碳原子。其中 一部分碳原子继续参与盒子内部石墨烯的生长，另外一部分碳原子从铜箔盒子内部 的裸露铜箔区域扩散到铜箔盒子外部，在盒子外表面长满的单层石墨烯下面继续成 核生长双层甚至多层石墨烯。这种生长双层石墨烯的机制称为外扩散机制。另外， 研究发现铜箔中氧的存在能显著降低碳原子向铜箔盒子外部扩散的能量势垒[43]，加 速碳原子扩散进而加速双层石墨烯的生长。 在双层石墨烯生长中，我们使用的是富含氧铜箔衬底。为了防止过高的氧含量 导致铜箔体内碳原子扩散速率过快而形成层数较多的石墨烯，在铜箔的退火过程中 使用100 sccm氢气处理2小时，还原部分已经被氧化的铜箔以降低铜箔中氧的含量。 这个退火处理过程和生长单层石墨烯时采用的氩气退火方式不同。控制生长的温度 为1070 ℃，生长过程中甲烷和氢气的流量分别为0.5 sccm和60 sccm，生长时间为120 分钟。生长完毕后，将铜箔盒子展开成平面铜箔并放在200 ℃ 的热板上加热5分钟， 可以看到铜箔盒子内部是没有完全长满的石墨烯单晶，尺寸在200 µm左右，如图2-8(a) 和(b)所示。铜箔盒子外部为长满的石墨烯，如图2-8(c)所示。进一步调高热板的温度 至400 ℃，继续加热铜箔5分钟。高温下铜箔盒子外部的单层石墨烯被氧化烧毁，只 留下轮廓清晰可见的双层甚至多层石墨烯，如图2-8(d)所示。采用加热生长有石墨烯 23 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 铜箔的方式可以快速地判断双层石墨烯的生长情况。 a b 铜箔盒子内表面 c d 铜箔盒子外表面 图2-8 双层石墨烯化学气相沉积生长 (a) 热板处理后铜箔盒子内部石墨烯生长情况；(b) 铜箔盒 子内部的单层石墨烯单晶；(c) 热板处理后铜箔盒子外部石墨烯生长情况；(d) 铜箔盒子外部的 双层石墨烯。图中的比例尺均为100 µm。 双层石墨烯的转移同样采用图2-4展示的湿法化学刻蚀方法。前面提到，在很薄 的高κ介质衬底上不能分辨石墨烯层数。为利用高κ介质优异的界面特性，我们采用 了两种衬底，一种是在含有90 nm SiO2 的高阻硅衬底上使用原子层沉积生长14 nm HfSiO，另外一种是直接在高阻硅衬底上使用原子层沉积生长70 nm铪镧氧(HfLaO)。 转移到这两种衬底上的石墨烯薄膜分别如图2-9(a)和(b)所示。在这两种衬底上的石墨 烯衬度对比均很明显，可以清晰地看到双层石墨烯阵列和少数的多层石墨烯。大部 分双层石墨烯形状为六边形，尺寸在100 µm左右。图2-9(c)展示了转移到90 nm SiO2/Si 衬底上的石墨烯扫描电子显微镜(scanning electron microscope，简称SEM)图，可以看 到双层石墨烯的表面没有褶皱，破洞和残留的污染物均很少。在相同的生长温度和 通气量条件下，进一步增加生长时间至8小时，可以在铜箔盒子外表面得到尺寸超过 24 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 600 µm的双层石墨烯单晶，其形状为六边形，如图2-10(a)-(c)所示。 a b c 图2-9 双层石墨烯的转移 (a) 转移到14 nm HfSiO/90 nm SiO2/Si衬底上的石墨烯；(b) 转移到70 nm HfLaO/Si衬底上的石墨烯；(c) 双层石墨烯扫描电子显微镜图。图(a)和(b)的比例尺为100 µm， 图(c)的比例尺为40 µm。 a b 598 μm c 671 μm 752 μm 图2-10 (a)-(c) 转移到90 nm SiO2/Si衬底上且尺寸超过600 µm的双层石墨烯。 2.2.2 贝纳尔堆叠双层石墨烯的拉曼光谱 2D峰强度 (a.u.) b 强度 (a.u.) a 单层石墨烯 双层石墨烯 2600 2700 2800 拉曼频移 (cm-1) 1350 1500 2550 2700 拉曼频移 (cm-1) 2850 图2-11 双层石墨烯拉曼光谱表征 (a) 转移到14 nm HfSiO/90 nm SiO2/Si衬底上的石墨烯薄膜，比 例尺为40 µm；(b) 单层石墨烯和双层石墨烯的拉曼光谱图。 我们选取转移到覆盖了14 nm HfSiO/90 nm SiO2的高阻硅衬底上的一个双层石墨 烯单晶作为拉曼光谱的研究对象，其尺寸在100 µm左右，如图2-11(a)所示。图2-11(b) 展示了图2-11(a)中具有代表性的单层石墨烯区域和双层石墨烯区域的拉曼光谱图， 25 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 从图中可以看到单层石墨烯和双层石墨烯的D峰均很弱，表明石墨烯中缺陷含量极 低。单层石墨烯和双层石墨烯G峰的拉曼频移位置分别在1588 cm-1和1581 cm-1附近， 说明双层石墨烯受到衬底电离杂质的掺杂效应影响比单层石墨烯小。和单层石墨烯 相比，双层石墨烯的G峰强度为单层石墨烯G峰强度的2倍左右，这与理论和文献报 道的结果相符[81, 83]。此外，单层石墨烯和双层石墨烯2D峰强度和G峰强度的比值分 别约为1和2.4，且单层石墨烯2D峰为单一洛伦兹峰，而双层石墨烯2D峰包含了多个 子峰。对双层石墨烯的2D峰进行分峰拟合，拟合结果如图2-11(b)的插图所示，可以 将2D峰拟合成四个不同强度和不同位置波数的洛伦兹峰。这四个洛伦兹峰对应双层 石墨烯拉曼光谱中四种不同的双共振散射过程，表明得到的双层石墨烯的堆叠方式 为贝纳尔堆叠[81]。 a b 2699 2D峰位置 (cm-1) 2D峰半高宽 (cm-1) 65.40 2669 29.00 c d SiO2衬底上的石墨烯 I2D/IG 3.000 I2D/IG HfSiO衬底上的石墨烯 3.000 0.000 0.000 图2-12 石墨烯拉曼光谱的分布图 (a) 拉曼光谱中2D峰位置分布图；(b) 拉曼光谱中2D峰半高宽 分布图；(c)-(d) 转移到14 nm HfSiO/90 nm SiO2/Si衬底和90 nm SiO2/Si衬底上石墨烯拉曼光谱的 I2D/IG分布图。 进一步对图2-11(a)中整个贝纳尔堆叠双层石墨烯单晶进行拉曼光谱图统计，2D 峰波数位置和半高宽的分布分别如图2-12(a)和(b)所示。和单层石墨烯相比，贝纳尔 26 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 堆叠双层石墨烯2D峰位置的拉曼频移量更大，半高宽也更宽，最大半高宽高达65 cm-1 ，接近单层石墨烯2D峰半高宽的2倍。图2-12(c)和(d)分别统计了转移到14 nm HfSiO/90 nm SiO2/Si和90 nm SiO2/Si两种衬底上的石墨烯，其拉曼光谱中2D峰和G峰 强度比值(I2D/IG)的分布图。可以明显地看到，增加了一层HfSiO介质后，不管是单层 石墨烯还是贝纳尔堆叠双层石墨烯，其2D峰和G峰强度的比值均有大幅提升。在14 nm HfSiO/90 nm SiO2/Si衬底上，单层石墨烯的I2D/IG比值高达3，贝纳尔堆叠双层石墨 烯的I2D/IG比值接近理论值1。而在90 nm SiO2/Si衬底上，单层石墨烯的I2D/IG比值低至 1附近，贝纳尔堆叠双层石墨烯的I2D/IG比值低至0.5附近。这再次说明了HfSiO介质的 引入大幅改善了界面特性，界面处电离杂质对石墨烯的掺杂效应减弱，使得石墨烯 表现出本征材料的特性[82]。 a b 2D峰半高宽 (cm-1) 64.40 25.00 图2-13 贝纳尔堆叠双层石墨烯单晶交界处的拉曼光谱 (a) 多个贝纳尔堆叠双层石墨烯单晶融合 之后的光学显微镜图; (b) 多个贝纳尔堆叠双层石墨烯单晶融合之后的拉曼光谱分布图。 当贝纳尔堆叠双层石墨烯单晶尺寸变大且和周围的贝纳尔堆叠双层石墨烯融合 时，在部分交界区域贝纳尔堆叠双层石墨烯的堆叠方式会发生改变，如图2-13(a)和(b) 所示，图中黑色虚线框区域内的双层石墨烯堆叠方式不是贝纳尔堆叠。图2-14展示了 图2-13(a)中非贝纳尔堆叠双层石墨烯的拉曼光谱图，其2D峰半高宽为24 cm-1，2D峰 和G峰比值高达4.5，接近单层石墨烯的性质[83]。除此之外，这种非贝纳尔堆叠方式 的双层石墨烯层间存在一定转角，使得拉曼光谱图中会出现较为明显的D峰。这种交 界区域双层石墨烯堆叠方式的改变和铜箔衬底上的晶界有关，当双层石墨烯单晶交 27 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 界处的铜箔衬底存在晶界时，会使得相邻贝纳尔堆叠双层石墨烯单晶在后续生长过 程中改变晶格取向[43]，从而导致交界区域堆叠方式的改变。 1 2D峰 强度 (a.u.) I2D/IG = 4.5 半高宽= 24 cm-1 G峰 D峰 1350 1500 1650 2600 拉曼频移 (cm-1) 2800 图2-14 非贝纳尔堆叠双层石墨烯的拉曼光谱图。 2.3 本章小结 本章主要对晶圆级单层石墨烯和大尺寸贝纳尔堆叠双层石墨烯的生长表征做了 详细研究。两者的生长均以铜箔盒子作为催化衬底，甲烷作为碳源，氢气作为辅助 载气，生长温度为1070 ℃。在晶圆级单层石墨烯生长中，采用氩气退火钝化铜箔表 面，降低生长过程中石墨烯的成核密度，在铜箔盒子内表面生长出了尺寸超过3 mm 的单层石墨烯单晶。进一步增加生长时间后，在铜箔盒子内表面得到了大面积的单 层石墨烯连续薄膜。在贝纳尔堆叠双层石墨烯生长中，采用氢气退火降低铜箔中的 含氧量，减慢铜箔盒子内碳原子向外的扩散速率，在铜箔盒子外表面生长出了尺寸 在100 µm左右的双层石墨烯阵列，进一步增加生长时间得到了尺寸超过600 µm的双 层石墨烯单晶。晶圆级石墨烯拉曼光谱表征中，石墨烯拉曼光谱中的2D峰半高宽平 均值为35.57 cm-1，标准差为2.33 cm-1，离散系数低至0.07，同时2D峰和G峰强度比值 小于1的区域占比小于6%，表明生长转移得到的是高均一性的晶圆级单层石墨烯。贝 纳尔堆叠双层石墨烯拉曼光谱表征发现，HfSiO介质的引入大幅降低了界面处电离杂 质对双层石墨烯的掺杂效应。此外还发现双层石墨烯单晶融合之后其堆叠方式会改 变。高质量石墨烯材料为后续制备高质量的石墨烯器件提供了重要基础。 28 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 3 贝纳尔堆叠双层石墨烯的低频噪声特性 低频噪声，也称为1/f噪声，对电子器件信噪比和传感器灵敏度有极大的影响， 限制了电子器件对噪声信号探测的极限。晶体管和电路中固有的非线性特性会导致 器件本身的低频噪声转换为高频噪声，成为通信系统和传感器相位噪声的主要组成 部分[84, 85]。因此，采用低噪声特性材料是实现高性能器件和电路的关键。实验发现， 石墨烯材料超高迁移率使得石墨烯器件表现出优异的噪声特性[86]。目前对石墨烯低 频噪声的研究中，大多数文献主要是基于背栅结构的单层石墨烯器件，而对双层石 墨烯器件低频噪声特性的研究相对较少。已有的实验发现双层石墨烯器件相比单层 石墨烯器件表现出更低的噪声水平，这主要归因于双层石墨烯对界面处的杂质散射 具有更强的屏蔽能力[87]。另外一方面，顶栅结构是石墨烯器件应用的基础，特别是 对于贝纳尔堆叠双层石墨烯，还需要使用双栅结构施加垂直电场来打开其带隙。目 前文献报道的大多数研究双层石墨烯低频噪声特性的工作使用的石墨烯材料大都是 通过机械剥离得到，且顶栅介质使用包括PMMA[88]、离子液体[89]和六方氮化硼[90]等 不易大规模制备的材料，限制了具有低噪声水平石墨烯器件的大规模应用。本章将 系统地研究以化学气相沉积生长的双层石墨烯作为沟道材料且利用原子层沉积制备 双栅介质的双层石墨烯器件的低频噪声特性。 3.1 双栅石墨烯器件的制备工艺 石墨烯材料的特殊性在于表面的化学活性不强，使得采用原子层沉积在其表面 生长高质量介质材料十分困难。因此，采用原子层沉积的方法在石墨烯表面生长高 质量的介质材料，是发展高性能石墨烯器件的一个重要前提，也是该领域面临的一 个重要挑战。图3-1展示了两种双栅结构石墨烯器件制备工艺流程图，器件的测试电 极为地-信号-地(Ground-Signal-Ground，简称G-S-G)结构，采用这种结构既能进行直 流特性和低频噪声特性的测试，又能进行射频特性的测试，其中射频测试将会在第 四章详细介绍。图3-1(a)-(f)展示了基于铝栅结构制备顶栅介质的工艺流程，而图 3-1(a)-(e)和图3-1(g)-(h)展示了基于原子层沉积生长顶栅介质的工艺流程。 29 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 a b d e f g h Si Pd(Ni)/Au SiO2 Al2O3 HfSiO Al c Graphene 图3-1 双栅结构石墨烯器件制备工艺流程图 (a) 清洗衬底；(b) 生长HfSiO介质；(c) 转移石墨烯 薄膜； (d) 隔离器件有源区； (e) 制备源漏接触金属(20 nm Pd/60 nm Au)和测试电极(20 nm Ni/60 nm Au)；(f) 使用电子束蒸发生长80 nm铝作为顶栅电极；(g) 使用电子束蒸发生长2 nm铝作为种 子层，再使用原子层沉积生长15 nm Al2O3作为顶栅介质； (h) 使用电子束蒸发生长20 nm Ni/60 nm Au作为顶栅电极。 器件的详细制备过程如下： (1). 衬底准备。选用电阻率大于104 Ω·cm的高阻硅衬底，用RCA工艺（氨水：过 氧化氢：去离子水=1:1:5，在70 ℃下加热10分钟）清洗硅衬底，除去衬底表面的有机 残留物。单层石墨烯器件使用的是不含90 nm SiO2的高阻硅衬底，双层石墨烯器件使 用的是含有90 nm SiO2的高阻硅衬底，目的是便于清晰地观察衬底上的双层石墨烯。 (2). 生长高κ介质HfSiO。将准备好的高阻硅衬底放入原子层沉积系统的腔体 中，其中原子层沉积系统的型号为Beneq TFS 200，生长HfSiO介质采用的铪源为 Tetrakis[EthylMethylAmino]Hafnium(简称TEMAH)，硅源为Tris(dimethylamino)silane (简称TDMAS)，氧源为O3，生长温度为300 ℃ 。生长过程中，铪源和硅源的循环数 为16:1，每个循环间隔采用高纯氮气吹扫。生长的介质薄膜使用快速退火炉在氮气氛 围和650 ℃条件下退火10 s，降低介质薄膜中的陷阱杂质浓度。图3-2(a)展示了采用透 射电子显微镜(transmission electron microscope，简称TEM)观察到的HfSiO介质的截 面，经过高温退火后介质薄膜出现结晶。使用光电子能谱(X-ray photoelectron spec30 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 troscopy，简称XPS)研究发现，HfSiO介质中铪的比例占20%，硅的比例占5%，其结果 分别如图3-2(b)和(c)所示。采用电容-电压(C-V)方法测量得到HfSiO的κ值为18，其回滞 和迟滞均很小，表明HfSiO介质内陷阱杂质浓度低。 a b 强度 (a.u.) Hf 4f HfSiO Hf : 20% SiO2 16 20 c 24 结合能 (eV) d 1.5 10 kHz 95 电容 (μF/cm2) 强度 (a.u.) Si 2p Si : 5% 100 105 结合能 (eV) 110 1.0 1 MHz = 18 0.5 0.0 -3 -2 -1 0 电压 (V) 1 2 3 图3-2 HfSiO介质表征 (a) HfSiO截面TEM图；(b) XPS表征Hf 4f的含量；(c) XPS表征Si 2p的含量； (d) 不同频率下的电容电压曲线。 (3). 转移石墨烯。采用图2-4展示的湿法刻蚀方式将铜箔盒子上的石墨烯转移到 预先准备好的衬底上。转移过程保证石墨烯表面洁净、无褶皱和无破洞。 (4). 隔离器件有源区。器件与器件之间应隔离，以避免器件之间短路。使用电 子束光刻(electron beam lithography，简称EBL)制备的PMMA掩膜覆盖住器件的沟道 区域，接着采用反应离子刻蚀(reactive ion etchin，简称RIE)去除器件沟道之外的石墨 烯。刻蚀气体采用氩气和氧气的混合物，比例为4:1，刻蚀时间20 s，功率50 W。 (5). 制备源漏接触金属和测试电极。使用电子束光刻曝光器件的源漏接触区域， 然后用电子束蒸发(electron beam evaporation，简称EBE)沉积20 nm Pd/60 nm Au作为 欧姆接触电极。再采用同样的方式制备测试电极，采用的金属为20 nm Ni/60 nm Au。 (6). 图3-1(f)表示采用铝栅工艺制备顶栅介质的工艺。使用电子束光刻曝光显影 出栅电极图形，之后用电子束蒸发蒸镀80 nm铝作为顶栅电极。将制备完成的器件放 31 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 在180 ℃的热板上加热5分钟，在铝电极周围形成致密Al2O3，其可直接作为石墨烯器 件的顶栅介质。之后将器件放入真空退火炉中，在200 ℃ 下退火2小时。将漏源电压 (Vds)设置为0 V，直接测量器件顶栅介质的击穿特性。由图3-3(a)可看到，顶栅电压(Vtg) 在2 V范围内，栅极泄漏电流低于25 pA，表明顶栅介质具有良好的耐击穿特性。 (7). 图3-1(g)和(h)表示使用原子层沉积制备顶栅介质的工艺。首先使用电子束蒸 发在石墨烯表面蒸镀2 nm铝，利用空气中的水氧将其直接氧化为Al2O3，之后再使用 原子层沉积在300 ℃下生长15 nm Al2O3作为顶栅介质。顶栅电压在7 V范围内，栅极 泄漏电流低于10 pA，如图3-3(b)所示。最后采用和前面相似的电子束光刻和电子束 蒸发工艺制备顶栅电极，金属为20 nm Ni/60 nm Au。 b 50 Itg (pA) 25 采用EBE和ALD制备的顶栅介质 采用EBE制备的顶栅介质 25 0 -25 -50 50 Itg (pA) a 0 -25 -2 -1 0 Vtg (V) 1 -50 -8 2 -4 0 Vtg (V) 4 8 图3-3 顶栅介质击穿特性 (a) 采用电子束蒸发生长的顶栅介质的击穿特性；(b) 采用电子束蒸发 和原子层沉积共同生长的顶栅介质的击穿特性。 3.2 贝纳尔堆叠双层石墨烯带隙提取 我们首先测试了双栅电压对以原子层沉积生长的高温Al2O3 作为顶栅介质器件 的调控作用。图3-4(a)和(b)分别表示温度为200 K和4.3 K时栅极长度为0.18 µm器件的 沟道电阻随着双栅电压调控的变化规律，漏源电压固定为0.1 V，每一次测量过程中 扫描顶栅电压而固定背栅电压(Vbg)不变。可以明显地看到器件沟道电阻和顶栅电压 关系曲线中狄拉克点电压(VDirac)随着背栅电压的增加逐渐负移，这主要归因于正的背 栅电压可以通过静电场作用对石墨烯进行电子掺杂，而负的背栅电压对器件沟道的 调控作用正好相反。此外，器件狄拉克点电压处的沟道电阻随着双栅电压的变化逐 渐增大，说明双层石墨烯的带隙逐渐打开，这符合贝纳尔堆叠双层石墨烯器件的电 学特性[91]。 32 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 a b 400 T= 200 K Vbg= -60 V 2 200 0 R (103 Ω) R (Ω) Lg= 0.18 m Vbg= 60 V -8 -6 -4 -2 0 2 Vtg (V) 4 6 Lg= 0.18 m 1 Vbg= 60 V 0 8 Vbg= -60 V T= 4.3 K -8 -6 -4 -2 0 2 Vtg (V) 4 6 8 图3-4 (a)-(b) 温度分别为200 K和4.3 K时双层石墨烯器件的沟道电阻随着双栅电压的变化关系。 贝纳尔堆叠双层石墨烯的带隙打开后，其和金属接触时会形成一定的肖特基势 垒，此时通过热发射方式越过肖特基势垒的载流子数目决定了器件的关态电流(Ioff)。 器件关态电流和肖特基势垒高度以及温度的关系为[91]： I off exp( qbarrier ) kBT (3-1) 其中kB为玻尔兹曼常数， barrier 为肖特基势垒高度，T为绝对温度，q为元电荷量。在 固定的双栅电压下，贝纳尔堆叠双层石墨烯的带隙保持不变，金属和贝纳尔堆叠双 层石墨烯之间的肖特基势垒高度也保持不变。由公式 (3-1)可知，随着温度降低器件 关态电流也随之降低。通过研究器件关态电流和温度的依赖关系，可以直接提取出 肖特基势垒高度。另一方面贝纳尔堆叠双层石墨烯带隙大小约为肖特基势垒高度的 两倍[91]，即可以通过关态电流和温度的依赖关系提间接提取出贝纳尔堆叠双层石墨 烯带隙。由图3-4(b)可知，随着温度降低狄拉克点电压处的电阻迅速增大，器件开关 比高达100。和文献报道类似，假设器件开关比和肖特基势垒高度以及温度的关系如 下： ln(On /off ratio) qbarrier 1 kB T (3-2) 其中On/off ratio表示器件开关比，可以表示为器件的开态电流(Ion)和关态电流的比值， 也可以表示为器件沟道的最大电阻(Rmax)和最小电阻(Rmin)的比值，其表达式为： On /off ratio I on /I off Rmax /Rmin (3-3) 由公式(3-2)可知，ln(On/off ratio)和1/T之间为线性关系，其斜率的绝对值为 qbarrier /kB 。 33 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 图3-5展示了背栅电压为-60 V时器件开关比随着温度的变化关系，温度高于70 K时两 者的关系近似为线性关系，由此提取出肖特基势垒高度为20.9 ±5.5 meV，进而得到 贝纳尔堆叠双层石墨烯的带隙为41.8 ±11 meV。此处得到的贝纳尔堆叠双层石墨烯带 隙值偏小，主要原因是器件沟道宽度较大导致沟道内电荷分布不均匀[92]，使得沟道 中某些位置双栅电压控制能力弱，贝纳尔堆叠双层石墨烯的带隙没有完全打开，即 沟道中不同位置处石墨烯带隙打开程度不一样，进而影响了整体的带隙大小。当温 度低于70 K时，开关比随着温度降低缓慢增加，此时隧穿电流对器件关态电流的影 响更加明显[91]，限制了关态电流的进一步降低。 On/off ratio 100 ln(On/off ratio)~qbarrier/kT 10 0.0 0.1 1/T (K-1) 0.2 0.3 图3-5 背栅电压为-60 V时器件的开关比随着温度的变化关系。 另外一方面，可以假设贝纳尔堆叠双层石墨烯开关比最小的时候对应的带隙为 零，而开关比最大的时候对应的带隙最大。由公式 (3-1)中关态电流和肖特基势垒高 度的指数关系可知，器件狄拉克点电压处的沟道电阻和肖特基势垒高度的关系也为 指数关系。由图3-4(a)可得到，器件开关比最小的时候对应的背栅电压为10 V，对应 狄拉克点电压处的电阻标记为RCNP(Vbg=10V)，将其他背栅电压条件下狄拉克点电压处的 电阻标记为RCNP(Vbg)，可以推出带隙的表达式为[93]： Eg 2kBT ln( RCNP(Vbg ) RCNP(Vbg =10V) ) (3-4) 将图3-4(a)中的数据代入公式(3-4)，可求得开关比和带隙随着背栅电压变化的关系， 如图3-6(a)所示。当背栅电压为-60 V时，器件开关比超过15，提取出贝纳尔堆叠双层 34 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 石墨烯的带隙为50 meV，这与通过低温测量方法得到的带隙在同样的量级。图3-6(b) 表示贝纳尔堆叠双层石墨烯器件的带隙随着开关比的变化关系，开关比越大器件的 带隙越大。 a 10 0 20 -60 -40 -20 0 20 Vbg (V) 40 60 Eg (meV) 40 Eg (meV) T= 200 K 20 On/off ratio b 60 60 40 20 0 0 0 5 10 15 On/off ratio 图3-6 贝纳尔堆叠双层石墨烯带隙提取 (a) 温度为200 K时器件开关比和带隙随着背栅电压的变 化关系；(b) 器件的带隙随着开关比的变化关系。 3.3 低频噪声测试 3.3.1 低频噪声来源和测试方法 石墨烯超高迁移率使其在高速器件方面有着极大的应用潜能，而要实现高性能 的石墨烯器件，首先应保证其具有优异的噪声特性。晶体管中低频噪声主要由电导 率的波动引起，而电导率和载流子迁移率以及载流子数目相关，导致迁移率和载流 子数目的波动都可能影响器件的低频噪声。Hooge等人认为低频噪声源于迁移率波 动，并给出了一个经验公式[94, 95]： Sid AN Id2 f (3-5) 其中Sid为电流功率谱密度，Id为漏极端口的电流，Sid/Id2为归一化噪声功率谱密度， AN为噪声幅值，f为频率，γ为拟合参数且其经验值在1附近。另一方面，McWhorter 等人认为低频噪声源于载流子数目波动，并给出经验公式为[96]： Sid i 1 Nt N 2 N 2 0 4 i 1 2 1 (2 f i ) f (3-6) 其中Nt为栅介质中陷阱缺陷数目， N 为沟道中载流子波动数目，N0为沟道中平均载 流子数目。 i 为陷阱缺陷的时间常数，其和陷阱缺陷位置离沟道的距离直接相关， 35 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 如图3-7(a)所示。栅介质中的陷阱缺陷随机捕获和释放电子，导致沟道中载流子数目 发生变化，进而引起沟道电导率的变化。由于栅介质中的陷阱缺陷能级深度不同， 导致陷阱缺陷捕获和释放载流子的时间常数不同，大量不同时间常数的陷阱缺陷综 合作用导致了低频噪声[97]，如图3-7(b)所示。 a b 图3-7 低频噪声来源[86] (a) 不同时间常数的陷阱缺陷捕获和释放载流子导致的低频噪声模型；(b) 不同时间常数的噪声曲线叠加形成低频噪声曲线。 RL Vds in Sid 前置放大器 BLG FET Vbg E5052B Vtg 信号源分析仪 Rs 图3-8 低频噪声测试原理图。 图3-8展示了低频噪声的测试原理图，采用半导体参数分析仪B1500为双栅结构器 件提供顶栅电压、背栅电压和漏源电压。整个噪声测试使用安捷伦公司提供的低频 噪声测试系统E4725A。首先检测被测器件的漏源电流in，经过前置放大器放大后， 再把信号输入到信号源分析仪E5052B对信号进行分析处理，进而得出被测器件的噪 声功率谱密度。噪声测试系统的直流电压偏置范围为-20 V到20 V。噪声测试过程中 考虑到了器件源端和负载端寄生电阻以及前置放大器内阻产生的热噪声影响，实际 36 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 的噪声测量结果去除了这些额外电阻产生的热噪声。实际测量中，每一个固定的直 流偏置电压下测量16次噪声和频率的关系，然后将这16次测量得到的噪声数据取平 均值以得到此偏压下的平均噪声数据。 3.3.2 贝纳尔堆叠双层石墨烯低频噪声测量 600 -6 c 200 -3 0 Vtg (V) 3 Vbg= -20 V 空穴支 电子支 步长 1 V Vtg = 7 V 步长 1 V 100 0.08 0.00 Vds (V) 0.04 0 6 Vbg= -20 V 0.04 -20 -10 0 T = 20 K 400 Vtg = -7 V 0 0.00 Vbg (V) Rds () Rds () 0 800 T = 300 K -20 -10 0 10 20 300 Ids (A/m) b Vbg (V) -5 d 120 Ids (A/m) a Vtg (V) 5 10 Vtg = 8 V T = 20 K step 1 V 80 Vbg = -20 V 40 0 0.00 0.08 Vds (V) 0 0.05 Vds (V) 0.10 图3-9 栅极长度为0.3 µm器件的直流特性 (a)-(b) 不同温度下器件沟道电阻随着双栅电压的变化 关系；(c)-(d) 不同温度下器件的输出特性曲线。 图3-9(a)和(b)分别展示了温度为300 K和20 K时栅极长度为0.3 µm器件的沟道电 阻随着双栅电压的变化关系，所有测量器件的沟道宽度均为10 µm。低温下器件的阈 值电压正移，主要归因于低温下栅氧化层中的陷阱电荷被冻住，进而导致栅氧化层 电荷对石墨烯沟道的掺杂效应减弱[98]。图3-9(c)和(d)分别展示了栅极长度为0.3 µm器 件在温度为300 K和20 K时的输出特性曲线。漏源电压在0.1 V范围内，不管是在常温 还是低温下器件输出特性曲线中的电流和电压关系均表现为线性关系，这表明器件 的沟道电阻只受到双栅电压调控，和所加漏源电压无关。 为避免器件过大电流产生自热效应对噪声测量的影响，在测量时固定漏源电压 为0.1 V，测量频率范围为1 Hz到1000 Hz。图3-10(a)和(b)分别展示了温度为300 K和 20 K时Sid/Id2随着频率的变化关系，背栅电压固定为-20 V。可以清晰地看到，Sid/Id2 37 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 随着频率的变化关系为反比例关系，即与图中标的1/f虚线一致，这表明测量得到的 噪声类型为低频噪声。在Sid/Id2与频率的关系曲线中没有观察到明显鼓包，表明在栅 氧化层界面处不存在产生-复合噪声[86]。利用公式(3-4)对Sid/Id2和频率的关系进行拟 合，可以得出不同温度和不同偏压下的γ值，如图3-11(a)和(b)所示。所有的γ值均在1 附近，即低温下噪声类型仍然为低频噪声。 Vbg= -20 V b 1E-6 Vtg (V) T= 300 K 1E-8 0 1.4 2.5 5 Sid/Id2 (1/Hz) Sid/Id2 (1/Hz) a 1E-6 1E-10 Vbg= -20 V T= 20 K 1E-8 3 4.2 6 7.2 1E-10 1/f 1E-12 Vtg (V) 1 10 1/f 100 1E-12 1000 频率 (Hz) 1 10 100 频率 (Hz) 1000 图3-10 (a)-(b) 温度分别为300 K和20 K时不同顶栅偏压下Sid/Id2和频率的关系。 a 2 b2 T= 300 K Vbg= 20 V 1 0 2 1 0 2 Vbg= 10 V 1 1 0 2 0 2 Vbg= 0 V 0 2 1 0 2 1 1 Vbg= -10 V 1 0 2 Vbg= -20 V 1 0 -8 0 2 1 -4 0 Vtg (V) 4 8 T= 20 K Vbg= 20 V Vbg= 10 V Vbg= 0 V Vbg= -10 V Vbg= -20 V 0 -8 -4 0 Vtg (V) 4 8 图3-11 (a)-(b) 温度分别为300 K和20 K时不同双栅电压下的γ值。 固定测试频率为10 Hz，研究Sid/Id2和双栅电压的依赖关系。图3-12(a)表示背栅电 压为-20 V且温度为300 K时，Sid/Id2随着顶栅电压的变化关系。从图中可以看出，Sid/Id2 和顶栅电压之间不是单调变化关系，而是呈现出明显的M形状关系。在较低偏压下 Sid/Id2存在两个峰值和一个谷值，而在较高偏压下Sid/Id2几乎不随着顶栅电压的变化而 变化。这种M形状的噪声偏压依赖关系和大多数文献报道的双层石墨烯器件中噪声和 38 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 偏压的V型依赖关系不同[87, 88, 99, 100]。测试温度降低到20 K时，由于阈值电压正移， Sid/Id2和顶栅偏压的关系不是完整M型，如图3-12(b)所示。可以看到在低温下，较高 偏压下的Sid/Id2比常温时降低了10倍以上，表明低温时在较高偏压下器件的噪声特性 得到大幅改善。 6 b 测量数据 拟合数据 I II III IV 3 Vbg = -20 V -4 T= 20 K 100 T= 300 K 0 -8 0 Vtg (V) 4 测量数据 拟合数据 101 电子支 空穴支 102 Sid/Id2 (10-10/Hz) Sid/Id2 (10-9/Hz) a 10-1 8 Vbg= -20 V -6 -3 0 Vtg (V) 3 6 图3-12 (a)-(b) 温度分别为300 K和20 K时，Sid/Id2和顶栅电压的关系。图中蓝色虚线表示使用 charge-noise模型拟合得到的数据。 这种低频噪声和顶栅电压之间的M形状依赖关系可以用charge-noise模型进行解 释[89]： 2 dI Sid Sinput ds S I ds 4 dV tg (3-7) 其中Sinput和 s 为拟合参数。公式(3-7)中右边第一项表示在石墨烯和顶栅介质界面处， 电荷随机抖动产生的噪声是通过顶栅电容耦合到沟道内，Sinput反映了这种耦合能力的 强弱，其和顶栅偏压有着强烈的依赖关系。这种噪声来源对应于载流子数目波动噪 声机制，即界面处的电荷抖动引起了沟道中载流子数目的波动。公式(3-7)中右边第 二项表示石墨烯沟道中的电流噪声。当器件被偏置在较高的顶栅电压时，强烈的顶 栅静电掺杂效应使得沟道中感应出的载流子数量接近饱和，其会对界面处存在的陷 阱缺陷产生较强的屏蔽作用，导致界面处电荷抖动耦合到沟道内的噪声也大幅减弱。 此时石墨烯沟道中的载流子主要受到石墨烯中散射截面的散射效应影响，进而产生 对应于迁移率波动噪声机制。 考虑到电子和空穴导电的不对称性，用charge-noise模型拟合噪声和偏压关系时， 将电子导电(electron branch)和空穴导电(hole branch)分开拟合。拟合结果如图3-12(a) 39 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 中的蓝色虚线所示，除了在器件狄拉克点电压处，charge-noise模型和实验数据得到 了很好的拟合。狄拉克点电压处的拟合偏差大，主要原因是忽略了公式(3-7)中的其 他高阶项。低温下这种拟合关系依然符合得很好，如图3-12(b)所以。从图3-12中可知， 界面处电荷抖动引起的噪声部分很好地解释了噪声和偏压M型曲线中出现的两个峰 值和一个谷值，表明界面处的电荷噪声在器件的噪声来源中占主导作用。 2 b 可调谐比 Vbg= 20 V 1 Vbg= 10 V 1 c Vbg= -10 V 2 0 6 电子支峰值对应的Vtg CNPs处对应的Vtg 5 -5 Vbg= 0 V 2 0 4 谷值对应的Vtg 0 Sinput (mV2/Hz) Sid/Id2 (10-9/Hz) 0 4 空穴支峰值对应的Vtg 10 Vtg (V) 0 2 15 Vbg= -20 V 3 0 -8 -4 0 Vtg (V) 4 8 -20 0 20 Vbg (V) -1 10 10-1 10-3 10-3 10-5 10-5 电子支 空穴支 10-7 10-7 10-9 10-11 10-9 -20 -10 0 10 Vbg (V) 20 s(mA-2/Hz) a 10-11 图3-13 Sid/Id2和双栅电压的关系 (a) 温度为300 K时，不同背栅电压下Sid/Id2和顶栅电压的变化关 系；(b) Sid/Id2的峰值点、谷值点以及器件狄拉克点电压随着背栅电压的变化关系；(c) 使用 charge-noise模型得到的拟合参数Sinput和 s 随着背栅偏压的变化关系。 固定温度为300 K，不同背栅电压下Sid/Id2和顶栅电压的变化关系如图3-13(a)所 示。每一个固定背栅电压下，Sid/Id2和顶栅电压的关系均为M型，且M型关系中两个 峰值和一个谷值对应的顶栅电压位置随着背栅电压的变化呈现出线性关系，如图 3-13(b)所示。此外，由图3-13(b)中狄拉克点电压处顶栅电压和背栅电压关系可得出， 器件顶栅电容耦合强度是背栅电容的16倍，这说明界面处的电荷噪声主要通过顶栅 电容耦合到器件沟道中。进一步提取出不同背栅电压下charge-noise模型拟合得到的 Sinput和 s 参数，如图3-13(c)所示。Sinput的均值在10-2 mV2/Hz附近， s 的均值在10-10 40 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 mA-2/Hz附近。当温度为20 K且背栅电压为-20 V时，图3-12(b)中由charge-noise模型拟 合得到的Sinput为1.2×10-2 mV2/Hz， s 的值为1.1×10-11 mA-2/Hz。和温度为300 K时的拟 合参数相比，低温下Sinput没有明显降低，但 s 降低了将近10倍。这说明在低温下， 由界面处电荷抖动引起的噪声强度没有明显减弱，界面处的陷阱缺陷没有完全被冻 住。此外，沟道石墨烯中散射截面引起的噪声强度明显下降，说明低温下由迁移率 抖动引起的噪声得到大幅抑制。 图3-13(a)中还定义了低频噪声的调谐比，即在固定的背栅电压下，不同顶栅电 压下Sid/Id2最大值和最小值的比值，其反映了顶栅电压对低频噪声的控制能力。较大 的低频噪声调谐比有益于设计出高信噪比石墨烯器件和电路[90]。图3-14(a)和(b)分别 展示了低频噪声调谐比随着背栅电压和器件开关比的变化关系，随着器件开关比增 大低频噪声调谐比迅速增加。低温下器件最大低频噪声调谐比可达200以上，如图 3-12(b)所示。可以预知的是，进一步增加背栅电压时，器件开关比也可进一步增大， 器件低频噪声调谐比可以达到更高的值。 a b 空穴支 电子支 空穴支 电子支 20 T= 300 K 10 可调谐比 可调谐比 20 10 T= 300 K 0 -20 0 Vbg (V) 0 20 2 4 6 8 On/off ratio 图3-14 (a)-(b) 低频噪声调谐比随着背栅电压和器件开关比的变化关系。 理论研究表明，低频噪声的大小和器件面积密切相关，在高均一性样品中噪声 大小和器件面积成反比例关系[94]。图3-15展示了在较高顶栅电压下，器件最小的Sid/Id2 随着器件面积的变化关系。可以看到随着器件面积的降低Sid/Id2逐渐增加，但两者的 关系不是严格的反比例关系，特别是在低温下Sid/Id2随着器件面积的变化幅度很小。 这种现象主要由贝纳尔堆叠双层石墨烯器件的不均匀性引起。一方面制备不同栅极 长度器件采用的是不同贝纳尔堆叠双层石墨烯单晶材料，在材料层面上很难保证样 品的绝对均匀。另外一方面，器件沟道中空间电荷分布的不均匀性也会对低频噪声 41 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 产生影响，不同面积器件其空间电荷分布的不均匀性也不一样[94, 100]。器件最小面积 归一化噪声功率谱密度(area×Sid/Id2)在常温下低至3×10-10 μm2/Hz，在低温下低至 1.5×10-11 μm2/Hz。和别的文献对比，本文中双栅结构贝纳尔堆叠双层石墨烯器件的 低频噪声在常温下比其他的结果低了近一个数量级[99, 101, 102]。 103 Sid/Id2 (10-9/Hz) 10 Ref. 99 本工作 2 Ref. 101 本工作 Ref. 102 101 T= 3 00 K 100 10-1 10 -2 10 -3 T= 3 00 K T= 2 0K 1 10 器件面积 (m2) 100 图3-15 归一化噪声谱密度和器件面积的关系，图中增加了其他文献的结果作为对比。 上述展示的Sid/Id2随着器件双栅电压的变化关系取的是单一频率10 Hz时的结果， 这种情况下噪声数据的抖动会对结果产生一定影响。为进一步降低特定频率下的噪 声测量误差，排除其他类型噪声源影响，我们进一步计算了公式(3-5)中器件的噪声 幅值AN。噪声幅值大小反映了器件导电沟道对陷阱电荷的屏蔽能力，是表征器件噪 声性能的重要参数。噪声幅值计算公式如下[101]： AN S 1 N f ( id ) j2 j 1 j N id (3-8) 其中N为对应的频率点数，fj对应的范围为1 Hz到1000 Hz，即对N个频率点的噪声幅 值取平均值。图3-16(a)和(b)分别展示了栅极长度为0.3 µm和0.14 µm器件的噪声幅值 随着双栅电压的变化关系。可以明显地看到每个固定的背栅电压下噪声幅值随着顶 栅电压的变化也为M型关系。随着背栅电压的改变，M型关系中的峰值和谷值对应的 顶栅电压位置有规律变化，进一步明确了charge-noise模型的适用性。图3-17(a)展示 了不同面积器件的最低噪声幅值随着背栅电压的变化关系，其中最低噪声幅值在高 顶栅电压区间取得。随着器件面积减小，噪声幅值逐渐增加。图3-17(b)展示了温度 42 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 为20 K时，栅极长度为0.3 µm器件的噪声幅值随着顶栅电压的变化关系，噪声幅值最 低值可达3×10-10，优于绝大多数文献报道的结果[87, 88, 90, 103, 104]。 a 2 b 1 0 2 1 4 Lg= 0.3 m Vbg= 20 V 0 4 Vbg= 10 V 2 0 6 AN (10-8) AN (10-8) 0 2 Vbg= 0 V Vbg= -10 V 0 4 2 0 6 3 3 0 8 0 8 Vbg= -20 V -4 Vbg= 10 V Vbg= 0 V Vbg= -10 V Vbg= -20 V 4 4 0 -8 Lg= 0.14 m Vbg= 20 V 2 0 Vtg (V) 4 0 -8 8 -4 0 Vtg (V) 4 8 图3-16 (a)-(b) 栅极长度分别为0.3 µm和0.14 µm器件的噪声幅值随着双栅电压的变化关系。 b a 100 器件面积 = 1.4m 器件面积 = 3m2 器件面积 = 5.6m2 2 Vbg= -20 V 10 -9 AN (10 ) -9 AN (10 ) 10 T= 300 K 5 Lg= 0.3 m T= 20 K 1 AN= 310-10 0 -20 Vbg0 (V) 0.1 20 -6 -3 Vtg0 (V) 3 6 图3-17 器件的噪声幅值 (a) 不同面积器件的最低噪声幅值随着背栅电压的变化关系；(b) 温度 为20 K且背栅电压为-20 V时，栅极长度为0.3 µm器件的噪声幅值随着顶栅电压的变化关系。 3.4 本章小结 本章主要对双栅石墨烯器件的制备工艺以及贝纳尔堆叠双层石墨烯器件的直流 和低频噪声特性进行了详细研究。首先介绍了两种制备石墨烯器件顶栅介质的工艺， 一种是使用电子束蒸发生长80 nm铝作为顶栅电极，利用高温下氧化得到的致密Al2O3 43 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 作为顶栅介质。另外一种是先用电子束蒸发生长2 nm铝，在空气中自然氧化后作为 种子层，再使用原子层沉积在高温下生长15 nm Al2O3作为顶栅介质。这两种顶栅介 质制备工艺均得到了高质量的顶栅介质。直流测试显示贝纳尔堆叠双层石墨烯器件 狄拉克点电压处的沟道电阻随着双栅电压调控显著增大，表明贝纳尔堆叠双层石墨 烯的带隙逐渐打开，采用低温测量得到贝纳尔堆叠双层石墨烯的带隙超过40 meV。 接着我们测量了双栅贝纳尔堆叠双层石墨烯器件的低频噪声特性。测试结果表明归 一化噪声功率谱密度随着双栅电压的变化关系为M型，且在低温下器件仍然保持相同 的噪声偏压依赖关系。这种噪声偏压的M型关系可以用charge-noise模型解释，即在 低偏压下噪声主要来源于石墨烯和顶栅介质的界面处，而高偏压下噪声主要来源于 石墨烯中散射截面的散射效应。低温下石墨烯中散射截面的散射效应大幅减弱，使 得高偏压下器件的噪声水平降低了10倍。此外，高偏压下器件噪声水平比文献报道 的大多数结果低了近一个量级。贝纳尔堆叠双层石墨烯器件优异的噪声特性为其在 高性能射频器件和电路方面的应用提供了重要基础。 44 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 4. 晶圆级单层石墨烯射频器件 射频器件是组成低噪声放大器、功率放大器和混频器的核心元件，决定了射频 电路和系统性能的上限。以目前的5G通信为例，其要求系统具有大容量、低延迟和 高带宽特性，这就对射频器件的性能提出了更高要求。最新的研究表明，石墨烯中 电子迁移率超过106 cm2/V·s [34]，最大饱和速度高达7×107 cm/s[5]，超过了硅基器件和 III-V族器件，使得石墨烯材料在高速射频器件方面有着巨大的应用潜能[105]。目前学 术界和产业界对石墨烯射频器件的研究已经超过十年，其中单个石墨烯射频晶体管 的截止频率超过400 GHz[49, 50]，最大振荡频率高达200 GHz[51]，且存在进一步提升的 空间。此外，在多级射频电路中为保证射频信号无损甚至放大传输，需要考虑射频 器件级间匹配情况，这就要求射频器件具有很好的均一性。而目前所有研究石墨烯 射频器件的文献中，均没有详细讨论过晶圆级石墨烯射频器件的均一性问题。本章 利用生长转移得到的高质量晶圆级单层石墨烯作为沟道材料，系统地研究了晶圆级 石墨烯射频器件的均一性。 4.1 射频器件结构和测试原理 提高通信系统带宽的直接方法就是提升信号操作频率，然而高频信号波长随着 频率的增加而减小，当频率高到一定值时信号波长可以和被测器件几何尺寸相比拟， 这使得被测器件端口得到的电压和电流信号不只和时间有关，还和测量时选取的空 间位置参考点相关。在直流情况下，可以直接使用阻抗矩阵(Z)、导纳矩阵(Y)、混合 参量矩阵(h)、级联参量矩阵(A)等来表示被测器件端口之间电压和电流的关系，这种 情况下电路的开路和短路条件容易实现。而在高频情况下，被测器件端口的短路条 件和开路条件不能严格实现，即短路时被测器件端口会形成电感负载，断路时器件 端口会形成容性负载，这使得上述提及的各个参量矩阵不能被严格求解。在这种情 况下电压和电流具有波的属性，需要使用电压波和电流波的概念来求解上述提及的 各个参量矩阵。图4-1(a)显示了射频测量中的二端口网络示意图，其中a1和a2分别为 输入端口和输出端口的归一化入射电压波，b1和b2分别为输入端口和输出端口的归一 45 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 化反射电压波，其定义为： Vn = Z 0 in Z0 (4-1) Vnbn = Z 0 inZ0 (4-2) an 其中n为相对应的端口数，Z0为射频测量系统的特征阻抗，Vn 和 in 分别为入射的电压 波和电流波， Vn- 和 in- 分别为反射的电压波和电流波。 Vn 和 Vn- 相加为端口电压波 Vn ， in 和 in- 相减为端口电流波 in 。利用归一化电压波可以定义S参量矩阵： b1 S11 b2 S 21 S12 a1 S22 a2 (4-3) 在测量S参数时，使用的设备是网络分析仪，其能够直接测量出被测器件端口的反射 系数和透射系数。网络分析仪提供扫频功能，可以测量一系列频率下的S参数，且这 些S参数可以在史密斯圆图中直接显示，如图4-1(b)所示。在史密斯圆图中，圆的最 左端为短路条件点，表示反射系数为-1，圆的最右端为开路条件点，表示反射系数为 1，圆的中心为匹配点，表示反射系数为0。整个圆图的上半平面表现为感性负载特 性，下半平面表现为容性负载特性。 a i2 i1 a1 v1 v2 [S ] a2 b2 b1 b 图4-1 射频测试原理 (a) 二端口网络示意图；(b) 史密斯圆图。 46 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 以S11和S21为例，由公式(4-3)和图4-1(a)可知测量这两个参数时，需要让输出端口 的入射电压波a2为0，即器件的输出端口处于匹配状态，如图4-2所示。此时输出端口 的负载满足ZL=Z0，结合公式(4-1)、(4-2)和(4-3)，可以得到S11和S21的表达式为： b1 V1 = a 0 a 0 a1 2 V1 2 (4-4) b2 V2 2V = = 2 a2 0 a2 0 a1 V1 VG1 (4-5) S11 S21 其中VG1为源电压。由公式(4-4)可知，S11表示入射端口的反射电压和入射电压的比值， 称为入射端口的电压反射系数。由公式(4-5)可知，S21表示输出端口的反射电压和入 射端的入射电压的比值，称为正向电压增益，表明了器件对输入信号电压的放大能 力，是晶体管最为重要的参数之一。|S21|2表示正向功率增益，表明了器件对输入信 号功率的放大能力。同理，当器件的入射端口处于匹配状态时可以求得S22和S12，其 中S22表示输出端口的电压反射系数，S12表示反向电压放大系数，即输出端口和输入 端口之间存在反馈耦合效应。在晶体管中需要使S12保持在一个很低的数值，有益于 提升射频器件的稳定性。由图4-2还可以定义开路电压增益(Z21/Z12)，表示在输出开路 条件下(i2 = 0)，输出端口电压和输入端口电压的比值，其表达式如下: v2 i1 i2 0 Z 21 v2 Y21 i2 0 i2 0 = i 0 v1 Y22 2 v1 i1 i2 0 Z11 (4-6) 其中Z11和Z21为阻抗矩阵参数，Y21和Y22为导纳矩阵参数。 VG1 Z0 Z0 v1 a2 =0 i2 a1 i1 [S] b1 v2 Z0 ZL b2 图4-2 S11和S21的测量电路，输出端口处于匹配状态。 4.2 射频系统校准和射频器件去嵌 和直流测试结构不同，射频测试结构一般使用共面波导G-S-G结构，如图4-3(a) 所示，图中两边的电极都接地，中间的电极通信号。相应的射频探针也为G-S-G结构， 47 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 保证了射频探针可以直接扎在射频器件上进行测试。射频探针两边接地，中间为信 号通路，相邻信号线电极和地线电极之间的间距为100 µm，施加频率的上限为50 GHz。实际测量中射频信号从网络分析仪输出端口发出，经过测试线缆输送到探针 台的射频探针接口，即射频探针和网络分析仪之间存在一段测试线缆。由前面的分 析可知，射频信号对空间位置很敏感，使得射频测量结果和测量时选择的参考面直 接相关。为保证测量不同器件的结果具有可比性，必须使每次测量时的参考面保持 一致，即需要选择测量参考面为探针尖，如图4-3(a)中红色虚线所示。网络分析仪的 测量参考面处于其输出端口，经过线缆之后其测量参考面会发生改变，此时必须采 用一定的方式移动测量参考面，即对测量系统进行校准。我们使用十二项误差模型 来消除接入线缆带来的误差影响[106]，进而将测量参考面移动到探针尖。十二项误差 模型分别对应二端口网络的六项正向误差和六项反向误差，校准时使用短路(Short)、 开路(Open)、固定负载(Load)、通路(Through)四种结构求出十二个误差项。实际测量 时网络分析仪内部自动去除这些误差项从而把测量参考面移动到探针尖，这种校准 方式称为SOLT校准。四种校准结构如图4-3(b)所示，实际测量时这四种结构位于特 定的校准片上。 a 参考面 地 RF探针 信号 地 参考面 源极 漏极 栅极 源极 G地 信号 S 地 G RF探针 b R 短路 开路 负载 通路 图4-3 射频器件测试结构 (a) 被测器件和射频探针的结构；(b) 四种SOLT校准件结构。 48 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 测试系统校准完毕后，就可以对器件进行射频测量。测量时先设定好器件的直 流静态偏置点，然后将射频小信号叠加在直流信号上，两者的叠加通过网络分析仪 内部的Bias-tee完成。射频测量使用的网络分析仪型号为N5225A，其提供的扫频范围 为10 MHz到50 GHz，直流静态工作点的偏置电压由半导体参数分析仪B1500提供。 此外，由图4-3(a)可看到射频器件拥有较大的测试电极，会导致较大的寄生电容和电 感效应。图4-4(a)和(b)分别为实际被测器件结构图和包含了寄生效应的等效电路图， 其中Y参数为并联寄生参数，主要是寄生容抗，Z参数为串联寄生参数，主要为寄生 感抗。在评估器件的射频性能时，需要将这些寄生效应去除，以得到如图4-3(a)中蓝 色虚线框中的本征器件部分。在这里我们采用开路和短路结构去除这些寄生耦合效 应，对应的过程称为去嵌[107]。首先考虑去除并联寄生容抗，采用图4-4(c)所示的标 准开路结构，其栅极和源漏极之间的连接处于断开状态。图4-4(d)为开路结构的等效 电路图，其只包含了并联寄生Y参数部分。利用被测器件的导纳参量矩阵YDUT减去开 路结构的并联寄生导纳参数矩阵Yopen，就可以消除被测器件中的寄生容抗效应。接 着采用图4-4(e)的短路结构去除串联寄生感抗效应，即将栅极和源漏极之前的连接短 路，其等效电路如图4-4(f)所示。短路结构同时包含了并联寄生和串联寄生效应，先 使用短路结构的导纳参量矩阵Yshort减去开路结构的导纳参数矩阵Yopen，得到短路结 构的串联寄生部分Zshort=(Yshort-Yopen)-1。接着使用去除了并联寄生导纳参数的被测器 件参量矩阵(YDUT-Yopen)减去短路结构的串联寄生部分Zshort，就可以得到器件的本征 部分。上述去嵌的过程总结为下式[107]： YDUT-Open-Short 1 (YDUT YOpen ) 1 (YShort YOpen ) 1 (4-7) 其中YDUT-Open-Short为去除了寄生耦合效应之后被测器件的本征导纳参量矩阵。利用S 参量矩阵和Y参量矩阵的转化，先将被测器件的S参量转化为Y参量，待去嵌之后再 将Y参量转化为S参量，即可得到器件的本征S参量。以上去嵌合过程称为标准去嵌， 是射频器件最常用的去嵌方法。另外一种去嵌的方法称为本征去嵌，和标准去嵌的 区别是采用的开路结构不同。本征去嵌采用的开路结构和被测器件的结构一样，只 是开路结构的沟道区域没有石墨烯材料，使得栅极和源漏极之间的连接处于断开状 态。这种开路结构可以去除栅叉指电极的寄生容抗效应，使得射频器件的去嵌过程 49 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 更彻底，可以得到石墨烯射频器件的本征特性。早期有关石墨烯射频器件的文献大 都采用了本征去嵌的方法[46-48]。 a 源极 器件 c 开路 e 短路 d Yp3 f Yp3 漏极 栅极 源极 b Yp3 ZL2 ZL2 ZL1 ZL1 GFET Yp1 Yp2 Yp2 Yp1 Yp2 Yp1 ZL3 ZL3 图4-4 射频器件的去嵌过程 (a)-(b) 被测器件和其等效电路图；(c)-(d) 标准开路结构和其等效电 路图；(e)-(f) 短路结构和其等效电路图。 4.3 石墨烯射频器件物理和小信号模型 a b Cdsp Cgsp Ls Rg 源极 Rs 衬底 Lg Ri Cgdp Ld Rg 漏极 Rds Ld Cgd 栅极 栅极 Cgs Cgd gmVgs Cgdp Lg Cgsp Cgs Ri Rds gmVgs Cds Rd 漏极 Cdsp Rs Rd Ls Cds 源极 图4-5 石墨烯射频器件结构和模型 (a) 射频器件结构；(b) 射频器件小信号电路模型等效图。 石墨烯射频晶体管和传统的射频晶体管结构相似，因而可以借鉴传统的射频器 件物理和小信号模型来分析石墨烯射频晶体管。图4-5(a)表示考虑了寄生效应的石墨 烯射频器件结构图。图中红色线条部分为器件的本征部分，包括了栅源电容Cgs，栅 漏电容Cgd，漏源电容Cds，栅源电容充电电阻Ri，器件沟道电阻Rds，电流源gmVgs。本 征部分决定了器件的本征性能。浅绿色部分为器件的寄生电阻，其中Rd和Rs为器件漏 端和源端的接触电阻，Rg为栅极电阻。浅蓝色部分为器件的外围寄生容抗和感抗效 应。对射频器件而言，需使用高阻甚至绝缘的衬底，一方面可以降低寄生的容抗效 50 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 应，另一方面可以减弱高频下衬底电导损耗带来的功率耗散。图4-5(b)为石墨烯射频 晶体管的小信号电路模型等效图，和图4-5(a)中每部分一一对应。此外，这里的小信 号电路模型没有将衬底的损耗参数考虑进去。 + i1 栅极 i2 v1 Vgs Cgd Cgs + v2 漏极 gmVgs Ri Rds Cds 源极 图4-6 射频器件本征小信号电路模型。 先只考虑射频器件的本征部分，将图4-5(b)中的红色虚线框部分单独提出来，得 到如图4-6所示的射频器件本征小信号电路模型图。从小信号电路模型可以看出使用 Y参数矩阵来分析电路最为简单，最后只要将Y参数矩阵转换为S参数矩阵即可分析 器件的射频性能。Y参数矩阵的表达式为： i1 Y11 Y12 v1 i2 Y21 Y22 v2 (4-8) 在较低的频率下，小信号电路模型中栅源电容Cgs产生的阻抗远大于相同支路上的Ri， 即 Cgs Ri 1，此时Ri的阻抗影响可以忽略不计。从图4-6中可以直接推导出导纳矩阵 四个参数的表达式为： Y11 j(Cgs Cgd ) (4-9) Y12 jCgd (4-10) Y21 gm jCgd (4-11) Y22 j (Cgd Cds ) Rds1 (4-12) 利用Y参数和Z参数的转换关系Z=Y-1，可以直接推导出器件本征部分对应的开路电压 51 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 增益为: jCgd g m v2 Z 21 Y21 | || || | v1 Z11 Y22 R ds 1 j (Cgs Cgd ) (4-13) 在直流情况下即频率为零时，开路电压增益简化为gmRds，即器件的开路电压增益和 器件的本征增益相同。随着频率的增大，开路电压增益也逐渐下降。同理，可推导 出器件的正向功率增益为: | S21 |2 | 2Y21Z 0 |2 2 (1 Z 0Y11 )(1 Z 0Y22 ) Y12Y21Z 0 (4-14) 将公式(4-9)、(4-10)、(4-11)、(4-12)代入(4-14)，可求得频率为零时正向功率增益为 | S21 |2 | 2 gm Z0 /(1 Z0 Rds1 ) |2 ，这说明器件的跨导和饱和区沟道电阻越大，器件的正向功 率增益越大，这就要求器件工作在强饱和区。随着频率的升高，器件的正向功率增 益下降。除了开路电压增益和正向功率增益，射频晶体管最重要的两个参数是截止 频率和最大振荡频率。其中截止频率(cut-off frequency，简称fT)，表示在输出端口短 路的情况下电流增益下降为1时对应的频率，超过这个频率晶体管不再具备电流放大 的功能。短路电路增益一般用混合参数矩阵(h参量矩阵)来求解，h参量矩阵的定义为： v1 h11 i2 h21 h12 i1 h22 v2 (4-15) 其中h21称为短路电流增益，将图4-6小信号模型中的输出端口短路可以求得h21的表示 式为： Cgd i gm h21 2 v2 0 = i1 j (Cgs Cgd ) Cgs Cgd (4-16) 令h21的值为1，求得对应的截止频率为： fT gm 2 (Cgs Cgd ) (4-17) 由公式(4-17)可知截止频率和跨导成正比。当器件工作在饱和区时可忽略Cgd的影响， 此时的截止频率称为本征截止频率，表示为fT,intrinsic=gm/(2πCgs)，即截止频率为器件跨 导和栅源电容的比值。由于fT,intrinsic的表达式中没有涉及到沟道电阻Rds，可知即便器 件的输出特性曲线不饱和，只要保证器件的跨导足够大就能得到很高的截止频率。 52 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 考虑器件的接触电阻和外围寄生电容的影响时，fT的表达式变为： fT gm 2 (Cgs Cgd )[(1 ( Rs Rd ) Rds1 )] Cgd g m ( Rs Rd ) Cpg (4-18) 其中Cpg为所有外围寄生容抗效应的等效电容。由公式(4-18)可知，源漏接触电阻和外 围寄生电容越小，器件的截止频率就越大。使用网络分析仪测试得到的是S参数，利 用S参数和h参数的转换，可以得到用S参数表示的短路电流增益： h21 2S21 (1 S11 )(1 S22 ) S12 S21 (4-19) 射频器件另外一个重要参数是最大振荡频率(maximum oscillation frequency，简称为 fmax)，表示射频器件的最大可用功率增益(maximum available gain，简称MAG)下降为 1时对应的频率，超过这个频率器件不再具有放大功率的作用。在求解最大振荡频率 时，需要加入栅极电阻Rg来计算输入功率，其等效求解电路如图4-7所示。 + i1 栅极 i2 v1 Rg V gs Cgs + v2 gmVgs Rds 漏极 RL 源极 图4-7 求解射频器件最大振荡频率的电路模型。 当器件的沟道电阻Rds和负载电阻RL相等时，可求得器件的本征功率增益为： GP g m2 Rds v 1 i2 | | *| 2 | 2 i1 v1 4 2Cgs2 Rg (4-20) 令公式(4-20)的值为1，可求得器件的本征最大振荡频率为： f max,intrinsic f T,intrinsic Rds 4 Rg (4-21) 由公式(4-21)可知，本征最大振荡频率随着本征截止频率和饱和区沟道电阻的增加而 53 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 增加，即要求器件工作在强饱和区。石墨烯器件的输出饱和特性不强，限制了其最 大振荡频率的提升。还可以看到，最大振荡频率和栅极电阻Rg有着密切的联系，Rg 越小则最大振荡频率越大。减小Rg可以采用多指结构栅(双叉指型甚至更多的叉指数) 以及增加栅电极金属厚度(最常用的结构为T型栅)[51, 108]。考虑接触电阻的影响时，最 大振荡频率的表达式变为： f max f T,intrinsic 2 ( Rg Rs ) Rds1 +2 f T,intrinsic Rg Cgd (4-22) 由公式(4-22)可知，接触电阻对最大振荡频率的影响非常大，特别是在输出电流饱和 特性较差的石墨烯器件中，沟道电阻和接触电阻相当时，输出功率很大一部分被接 触电阻耗散，大幅降低了器件的功率增益。用S参数表示的最大可用功率增益为： MAG |S21| (k k 2 1) |S12 | (4-23) 其中k为稳定因子，器件作为放大器使用时要求k>1。当k<1时，器件作为放大器使用 会出现振荡效应。定义最大稳定增益(maximum stable gain，简称MSG)。其表达式为： MSG | S21 | S12 (4-24) 在栅极长度较小的石墨烯射频晶体管中，其输出特性曲线中的电流饱和特性较差， 器件的最大可用功率增益较小，且会存在稳定因子k在低频下小于1的情况，导致器 件在低频下只有最大稳定增益。 除此之外，还可以用单向化功率增益(mason’s unilateral power gain，简称U)来求 解最大振荡频率，U的表达式为[109]： | U S21 2 1| S12 S S 2k | 21 | 2 Re( 21 ) S12 S12 (4-25) U=1对应的频率也称为最大振荡频率fmax。U不受k值小于1的影响，使用U可以更直观 的得出石墨烯射频器件的最大振荡频率。 54 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 4.4 晶圆级单层石墨烯射频器件性能统计 4.4.1 直流特性统计 a b c d 20 nm HfSiO Si 图4-8 晶圆级石墨烯射频器件 (a) 4英寸晶圆级石墨烯射频器件光学显微镜图；(b) 每个测量单元 器件的光学显微镜图；(c) 器件的结构示意图；(d) 栅极长度为0.8 µm石墨烯射频器件的扫描电 子显微镜图，图中比例尺为2 µm。 前面提到，石墨烯超高的迁移率和饱和速度使其在高速射频器件方面有着巨大 的应用潜能。早期报道的石墨烯射频器件大都以机械剥离得到的石墨烯作为沟道材 料[45, 110-112]，随着化学气相沉积技术生长石墨烯材料的快速发展，后续文献报道的石 墨烯射频器件大都以化学气相沉积生长的石墨烯作为沟道材料。然而目前文献报道 的石墨烯射频器件，大都是基于单个石墨烯晶体管的性能，没有研究过晶圆级石墨 烯射频器件均一性。基于前面生长转移得到的高质量晶圆级单层石墨烯，我们统计 了4英寸晶圆上石墨烯射频器件的均一性。图4-8(a)展示了制备完成的晶圆级石墨烯 射频器件光学显微镜图，整块晶圆上包含了64个器件测量单元。每个器件测量单元 如图4-8(b)所示，其包含了六种不同栅极长度的器件，分别是0.5 µm、0.6 µm、0.8 µm、 1 µm、1.5 µm和2 µm，器件的沟道宽度均为20 µm，每种栅极长度器件的总数为64个。 55 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 单个器件的制备工艺采用图3-1展示的铝栅工艺，使用的高阻硅衬底上没有90 nm SiO2层，而是使用原子层沉积直接在高阻硅衬底上生长20 nm HfSiO介质，且顶栅铝 电极的厚度为80 nm，器件整体结构如图4-8(c)所示。图4-8(d)展示了栅极长度为0.8 µm 器件的扫描电子显微镜图，可以看到器件的源漏接触电极和顶栅金属电极之间没有 交叠，这一定程度上降低了寄生交叠电容的影响。 b Lg = 0.8m 器件数目: 54 20 = 1.22 V = 0.09 V 统计数目 1200 |Ids| (A/m) a 800 10 400 0 -1 c 0 1 器件数目: 54 0 200 2 400 600 20 统计数目 400 1 VDirac (V) d Lg = 0.8m gm (S/m) 600 0 Vtg (V) = 422.5 S/m = 12.6 S/m 10 0 -200 -1 0 Vtg (V) 0 200 1 gm,max (S/m) 图4-9 栅极长度为0.8 µm器件的直流特性 (a) 转移特性曲线；(b) 狄拉克点电压的柱状统计图； (c) 跨导特性曲线；(d) 最大跨导的柱状统计图。 图4-9(a)展示了整个晶圆上所有栅极长度为0.8 µm器件(相同栅极长度器件的总 数为64个，实际只有54个器件具有正常的电学性能)的转移特性曲线图，所有器件均 在真空环境中测量。器件以空穴导电占主导，这和晶圆级单层石墨烯拉曼光谱表征 得出的结论一致，即转移到HfSiO/Si衬底上的单层石墨烯表现出空穴掺杂特性。测量 时固定漏源电压为-1.5 V，顶栅电压从1.5 V扫描到-1.5 V。图4-9(b)表示栅极长度为0.8 µm器件狄拉克点电压(VDirac)的柱状统计图，可以得到狄拉克点电压的平均值为1.22 V，标准差为0.09 V，对应的离散系数为0.07。图4-9(c)表示栅极长度为0.8 µm器件的 跨导随着顶栅电压的变化关系，跨导的最大值对应的顶栅电压集中在0.5 V附近。图 4-9(d)表示器件最大跨导(gm,max)的柱状统计图，其平均值为422.5 μS/μm，标准差为 56 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 12.6 μS/μm, 对应的离散系数为0.03。以上结果说明整个晶圆上相同栅极长度的器件 具有高度均一的直流特性。图4-10表示栅极长度为0.8 µm器件的输出特性曲线，漏源 电压的扫描范围为0 V到-2 V，顶栅电压按照-0.5 V的间隔从1.5 V变化到-1.5 V。在输 出特性曲线中可以观察到较强的电流饱和特性，这主要归因于超薄顶栅介质Al2O3对 沟道的超强耗尽能力[113]。较强的电流饱和特性使得石墨烯器件的输出电阻增大，有 利于提升石墨烯射频器件的fmax。 |Ids| (A/m) 1200 Lg = 0.8 m 800 400 0 0 -1 Vds (V) -2 图4-10 栅极长度为0.8 µm器件的输出特性曲线。 在相同栅极长度器件取得高均一性的情况下，我们继续统计整个晶圆上所有不 同栅极长度器件的均一性。图4-11(a)和(b)分别展示了不同栅极长度器件的狄拉克点 电压和最大跨导在整个晶圆上的分布情况，分布图中的灰色块代表失效的器件，其 余色块代表正常的器件。栅极长度为0.5 µm、0.6 µm、1 µm、1.5 µm和2 µm的器件， 正常工作器件的数目分别为52、56、54、62和53个。失效的器件大都位于整块晶圆 的边沿，且绝大多数失效的器件都是顶栅介质漏电导致，整个晶圆上器件的良率超 过80%。改善器件的顶栅介质制备工艺可以进一步提升整个晶圆上器件的良率。从狄 拉克点电压和最大跨导的分布图中可看到，整体的色块颜色差异小，表明两者的分 布集中性好。图4-11(c)展示了器件狄拉克点电压随着栅极长度的变化规律，阈值电 压随着器件栅极长度的缩短逐渐正移。图4-11(d)表示器件的最大跨导随着栅极长度 的变化规律，其随着栅极长度的缩短出现饱和的趋势，这主要和短沟道器件中接触 电阻占沟道总电阻的比例增大有关。图4-12展示了整个晶圆上所有器件最大跨导的柱 57 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 状统计图，最大跨导的平均值为398.7 μS/μm，标准差为53.3 μS/μm，对应的离散系数 低至0.13，表明整个晶圆上所有不同栅极长度器件的直流性能表现出高均一性。 b 18 12 24 6 0 0.000 0 4 8 12 器件数目 (列) 1.5 500 gm,max (S/m) d VDirac (V) c 1.0 0.5 0.0 Vds = -1.5 V 0.5 1.0 1.5 Lg (m) 12 6 0 4 8 12 器件数目 (列) 16 0.000 400 300 200 2.0 18 0 16 503.0 gm,max (S/m) 1.500 器件数目 (行) 24 VDirac (V) 器件数目 (行) a Vds= -1.5 V 0.5 1.0 1.5 Lg (m) 2.0 图4-11 直流特性统计 (a)-(b) 整个晶圆上器件的VDirac和gm,max分布图；(c)-(d) 器件的VDirac和gm,max 随着栅极长度的变化规律。误差线中栅极长度为0.5 µm、0.6 µm、0.8 µm、1 µm、1.5 µm和2 µm 的器件对应的数目分别为52、56、54、54、62和53个。 60 统计数目 = 398.7 S/m = 53.3 S/m 40 20 0 0 200 400 gm,max (S/m) 600 图4-12 整个晶圆上所有栅极长度器件的gm,max统计柱状图。 58 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 4.4.2 射频性能统计 晶圆级石墨烯器件高性能和高均一性的直流特性为实现高性能和高均一性的石 墨烯射频性能提供了重要基础。射频测量中固定漏源电压为-1.5 V，顶栅电压偏置在 最大跨导对应的电压位置。使用图4-3介绍的SOLT方法对测量系统进行校准，校准频 率范围为10 MHz到30 GHz。图4-13(a)表示直接测量得到的栅极长度为0.8 µm器件的 短路电流增益h21随着频率变化的关系图，器件的数量为54个，最大的fT为11.3 GHz。 图4-13(b)表示整个晶圆上栅极长度为0.8 µm器件fT的柱状统计图，可得fT的平均值为 8.6 GHz，标准差为1.3 GHz，对应的离散系数为0.15。图4-13(c)表示直接测量得到的 栅极长度为0.8 µm器件的单向功率增益U1/2随着频率变化的关系图，器件最大的fmax 为10.6 GHz。图4-13(d)表示整个晶圆上所有栅极长度为0.8 µm器件fmax的柱状统计图， 其中fmax的平均值为8.3 GHz，标准差为1.9 GHz，对应的离散系数为0.23。这表明整个 晶圆上相同栅极长度器件的射频性能均一性差于其直流性能的均一性，同时fT的均一 性优于fmax。 a b 20 器件数目: 54 = 8.6 GHz = 1.3 GHz Lg = 0.8m |h21| 统计数目 10 10 11.3 GHz 1 1 c 器件数目: 54 0 5 d 20 U1/2 10 15 10 15 fT (GHz) = 8.3 GHz = 1.9 GHz Lg = 0.8m 统计数目 10 0 10 频率 (GHz) 10 10.6 GHz 1 1 0 10 频率 (GHz) 0 5 fmax (GHz) 图4-13 栅极长度为0.8 µm器件的射频性能 (a) h21随着频率的变化关系；(b) fT的柱状统计图；(c) U1/2随着频率的变化关系；(b) fmax的柱状统计图。 59 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 a b 6 0 4 c 12 16 测量数据 本征去嵌数据 1.0 6 0.000 0 60 10 0.5 12 1.5 Lg (m) 4 d 20 0 18 0 0.000 统计数目 fT*Lg (GHzm) 30 8 器件数目 (列) 1.260 fmax/fT 12 器件数目 (行) 18 0 24 10.66 fT*Lg (GHzm) 器件数目 (行) 24 12 器件数目 (列) 16 = 0.99 = 0.11 40 20 0 0.5 2.0 8 1.0 fmax/fT 1.5 图4-14 射频特性统计 (a) fT*Lg的分布图；(b) fmax/fT的分布图；(c) 直接测量和本征去嵌之后的 fT*Lg随着器件栅极长度的变化关系；(d) fmax/fT的柱状统计图。 由于器件的fT和fmax与器件的栅极长度有很强的依赖关系，我们使用fT*Lg和fmax/fT 两个归一化参量来进一步统计不同栅极长度器件的射频性能在整个晶圆上的分布情 况。图4-14(a)和(b)分别表示整个晶圆上所有器件fT*Lg和fmax/fT的分布情况，其中灰色 块对应失效的器件，和直流测量的情况一一对应。可以看出fT*Lg整体的分布不是很 均匀，较短栅极长度器件对应的色块偏淡，较长栅极长度器件对应的色块偏深，fT*Lg 的统计值为6.86 ± 2.23 GHz·μm，对应的离散系数偏大。直接测量得到的fT*Lg随着器 件栅极长度的减小而减小，如图4-14(c)中的蓝色曲线所示。在外界寄生效应和器件 接触电阻近乎不变的情况下，短沟道器件的栅极电容小于长沟道器件，且短沟道器 件导通电阻中接触电阻占的比重更大，这两个因素限制了fT和fmax随着器件栅极长度 缩小而提升的幅度。使用前面提到的本征去嵌方法将测试电极的寄生效应以及栅叉 指电容去除，可以得到图4-14(c)中红色曲线所示的本征fT*Lg随着器件栅极长度的变 化关系。本征的fT*Lg随着器件栅极长度的缩短有增加的趋势，且其均值在20 GHz·μm 附近，说明得到的石墨烯射频器件表现出优异的射频性能。具有代表性的不同栅极 长度器件本征去嵌之后的短路电流增益和单向功率增益随着频率的变化关系分别如 图4-15和图4-16所示，栅极长度为0.5 µm器件的最大本征fT可达到55.8 GHz，最大本 60 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 征fmax可达32 GHz。图4-14(b)中fmax/fT分布图的各个色块差异性小，且由图4-14(d)得 到fmax/fT的平均值为0.99，标准差为0.11，对应的离散系数低至0.11，表明整个晶圆上 器件的归一化射频性能参数具有很好的均一性。较大的fmax/fT比值也间接反映了制备 的石墨烯器件具有较好的输出电流饱和特性，与器件的直流特性相符合。 b 测量数据 本征去嵌数据 10 10 1 1 10 频率 (GHz) d 23.2 GHz 1 1 频率 (GHz) 10 e 测量数据 本征去嵌数据 Lg = 0.8m 10 频率 (GHz) 10 Lg = 0.5m 10 |h21| |h21| |h21| 1 频率 (GHz) 测量数据 本征去嵌数据 Lg = 0.6m 10 26.7 GHz 1 1 f 测量数据 本征去嵌数据 10 Lg = 1m 15.6 GHz 11.7 GHz 1 测量数据 本征去嵌数据 10 Lg = 1.5m |h21| |h21| Lg = 2m c 测量数据 本征去嵌数据 |h21| a 55.8 GHz 46.2 GHz 1 100 1 10 频率 (GHz) 1 100 1 10 100 频率 (GHz) 图4-15 具有代表性的不同栅极长度石墨烯射频器件h21本征去嵌之后的结果。 a b 测量数据 本征去嵌数据 Lg = 1.5m 10 Lg = 2m 1/2 U U 1/2 U 1 1 10 频率 (GHz) d 1 22.1 GHz 1 10 频率 (GHz) e 测量数据 本征去嵌数据 1/2 U 1/2 U 1/2 U 10 100 100 10 Lg = 0.5m 32 GHz 27.1 GHz 21.9 GHz 频率 (GHz) 10 频率 (GHz) f 10 Lg = 0.6m 10 Lg = 0.8m 1 1 测量数据 本征去嵌数据 测量数据 本征去嵌数据 1 Lg = 1m 16.1 GHz 12.7 GHz 1 测量数据 本征去嵌数据 10 1/2 10 c 测量数据 本征去嵌数据 1 1 1 10 频率 (GHz) 100 1 10 频率 (GHz) 100 图4-16 具有代表性的不同栅极长度石墨烯射频器件U1/2本征去嵌之后的结果。 61 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 a b 0 |S21| (dB) 8 Lg = 0.8m 4 0 0.01 0.1 Lg = 0.8m 2 Z21/Z11 (dB) 12 1 频率 (GHz) -4 -8 0.01 10 0.1 1 10 频率 (GHz) 图4-17 (a)和(b) 栅极长度为0.8 µm器件的Z21/Z11和|S21|2随着频率的变化关系图。 图4-17(a)和(b)分别表示栅极长度为0.8 μm器件的开路电压增益(Z21/Z11)和正向功 率增益(|S21|2)随着频率变化的关系。可以看到Z21/Z11在频率为1 GHz时的值为11 dB， 且在频率为20 GHz时仍保持在0 dB以上。|S21|2在1 GHz时为0.25 dB，表明在50 Ω的测 量系统中石墨烯射频器件具有功率放大的功能。 b 11.50 18 12 6 0 0 4 8 12 器件数目 (列) 16 80 统计数目 24 Z21/Z11 (dB) 器件数目 (行) a 0.000 40 0 -5 c 0 0.2500 |S21|2 (dB) 12 6 0 统计数目 120 18 4 8 12 器件数目 (列) 10 15 = -3.59 dB = 0.97 dB 80 40 -14.50 0 5 Z21/Z11 (dB) d 24 器件数目 (行) = 4.79 dB = 1.79 dB 16 0 -15 -10 -5 0 2 |S21| (dB) 图4-18 射频参数分布统计 (a)-(c) 整个晶圆上Z21/Z11和|S21|2的分布图；(b)-(d) 整个晶圆上Z21/Z11 和|S21|2的柱状统计图。 图4-18(a)和(c)分别展示了Z21/Z11和|S21|2在整个晶圆上的分布情况，可以看出两者 的分布都较为分散，色块差异性均较大。图4-18(b)和(d)分别表示Z21/Z11和|S21|2在整个 晶圆上分布的柱状统计图。Z21/Z11的平均值为4.79 dB，标准差1.79 dB，对应的离散 62 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 系数为0.37。|S21|2的平均值为−3.58 dB，标准差为0.97 dB，对应的离散系数为0.27。 长沟道器件的输出电流饱和特性比短沟道器件好，在跨导相近的情况下长沟道器件 的开路电压增益高于短沟道器件，导致开路电压增益也和器件栅极长度有依赖性。 此外，短沟道器件的栅极电容比长沟道器件小，在高频下短沟道器件输入端口的阻 抗更大，导致器件的输入端口阻抗失配更严重，严重限制了器件的|S21|2。由公式(4-13) 和(4-14)可知，进一步提升Z21/Z11和|S21|2需要提升器件的跨导，其中一种方法是增加 射频器件的栅极宽度，已有文献报道栅极宽度为100 µm石墨烯器件的|S21|2高达10 dB 以上[114]。 4.5 本章小结 本章对晶圆级单层石墨烯射频器件的直流特性和射频特性进行了详细研究。首 先介绍了基本射频测量方面的知识，包括二端口网络S参量定义和求解、射频测试系 统校准和射频器件的去嵌方法。接着对石墨烯射频器件物理和其对应的小信号电路 模型进行了详细介绍，利用射频小信号模型导出了射频器件的基本参数，包括短路 电流增益h21、单向功率增益U1/2、截止频率fT、最大振荡频率fmax、开路电压增益Z21/Z11 和正向功率增益|S21|2。最后对晶圆级单层石墨烯射频器件的直流性能和射频性能进 行了统计分析。直流特性表征中，栅极长度为0.8 μm器件的狄拉克电压为1.22 ± 0.09 V，对应的离散系数低至0.07，最大跨导为422.5 ± 12.6 μS/μm, 对应的离散系数低至 0.03。不同栅极长度器件的最大跨导为398.7 ± 53.3 μS/μm，对应的离散系数低至0.13。 射频性能表征中，器件本征的fT*Lg高达20 GHz·μm，同时所有器件的fmax/fT为0.99 ± 0.11，对应的离散系数低至0.11。这表明我们获得了高性能且高均一性的晶圆级石墨 烯射频器件，为石墨烯射频器件的实际应用迈出了重要一步。 63 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 5 贝纳尔堆叠双层石墨烯射频器件和混频电路 单层石墨烯虽然具有极高的迁移率和饱和速度，但其零带隙的特性使得由单层 石墨烯制备的器件开关比小，输出特性曲线的饱和特性弱，限制了其在高增益射频 器件方面的应用。因此打开石墨烯的带隙是发展高增益石墨烯射频电子器件的一个 重要方向，也是该领域面临的一个重要挑战。其中一种打开石墨烯带隙的方法是将 石墨烯制备成纳米条带，其带隙大小随着纳米条带宽度的减小而增加[115]。然而超窄 宽度石墨烯纳米条带的制备一方面存在工艺上的困难，另外一方面石墨烯纳米条带 边沿极强的散射效应会大幅度降低石墨烯的迁移率[116]。另外一种打开石墨烯带隙的 方法是使用贝纳尔堆叠双层石墨烯。不同于单层石墨烯器件，双栅结构的贝纳尔堆 叠双层石墨烯器件在垂直电场作用下可以打开一定大小的带隙，同时其高迁移率和 高饱和速度的特性还能得到保持[43]。G.Fiori和G. Iannaccone对贝纳尔堆叠双层石墨烯 射频器件仿真得出[105]，当带隙达到0.2 eV时输出特性曲线中出现明显的电流饱和特 性，饱和区沟道电阻显著增加，器件的本征电压增益大幅提升，同时fT和fmax均在 THz以上，其性能完全可以和目前的III-V族射频器件相比拟。B. N. Szafranek等人利 用机械剥离法得到的贝纳尔堆叠双层石墨烯作为器件的沟道材料[93]，在双栅电场作 用下器件的带隙超过50 meV，输出特性曲线的饱和特性明显增强，本征电压增益相 比单层石墨烯器件提升了6倍。虽然双层石墨烯器件已经被广泛研究，但是以化学气 相沉积生长的贝纳尔堆叠双层石墨烯作为沟道材料的射频器件在实验上还没有被报 道过。本章将详细介绍双栅贝纳尔堆叠双层石墨烯射频器件，包括其基本的射频器 件特性、有源混频器电路和无源电阻式混频电路。 5.1 贝纳尔堆叠双层石墨烯射频器件性能优化 5.1.1 以HfSiO/SiO2/Si为衬底的贝纳尔堆叠双层石墨烯射频器件 和单层石墨烯不同，双层石墨烯在较薄的高κ介质上可见度低。为利用高κ介质 优异的界面特性，我们采用HfSiO/SiO2/Si作为衬底，即在90 nm SiO2/Si衬底上使用原 64 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 子层沉积生长14 nm HfSiO介质，器件结构如图5-1(a)所示。其中90 nm SiO2层用以增 加双层石墨烯的可见度，14 nm HfSiO作为和石墨烯直接接触的界面。射频器件的制 备工艺与图3-1展示的铝栅工艺一致，其中顶栅金属采用80 nm铝。图5-1(b)展示了贝 纳尔堆叠双层石墨烯器件的沟道电阻随着双栅电压的变化关系，漏源电压固定为0.1 V。随着双栅电压的调控，器件狄拉克点电压处的电阻增大，表明沟道中的贝纳尔堆 叠双层石墨烯的带隙逐渐增大。图5-1(c)表示场效应迁移率( FE )随着双栅电压的变化 关系，表达式为[79]： FE g m Lch Wch CoxVds (5-1) 其中Lch为沟道长度，对应器件的栅极长度，Wch为沟道宽度，对应器件的栅极宽度， Cox为单位面积顶栅电容。计算得到的贝纳尔堆叠双层石墨烯器件的电子和空穴场效 应迁移率均高达2000 cm2/V·s。图5-1(d)展示了器件狄拉克点电压处的顶栅电压和背 栅电压的关系，由两者之间关系的斜率可得出器件的顶栅电容是背栅电容的26倍， 表明在铝栅电极表面形成的Al2O3介质具有很强的栅控作用。 a b 300 Lg = 2 m Rds () Vbg = 40 V 200 100 14 nm HfSiO Si 90 nm SiO2 c 0 -2 d Vbg = 40 V 2 -1 2 Lg = 2 m 0 1 2 0 20 40 Vtg (V) Vtg (V) 1 3 FE (10 cm2/vs) Vbg = -40 V 0 0 Ctg/Cbg = 26 -1 Vbg = -40 V -2 -2 -1 0 Vtg (V) 1 -2 2 -40 -20 Vbg (V) 图5-1 顶栅金属为80 nm铝的贝纳尔堆叠双层石墨烯射频器件 (a) 基于铝栅工艺的射频器件结构 示意图；(b) 器件沟道电阻随着双栅电压的变化关系；(c) 场效应迁移率和双栅电压的变化关系； (d) 狄拉克点电压处顶栅电压和背栅电压的关系。 65 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 固定背栅电压为60 V且增加器件的漏源电压，栅极长度为1 µm器件的转移特性 曲线如图5-2(a)所示。强烈的背栅静电效应使得器件的狄拉克点电压向负方向移动， 器件表现为以电子导电占主导的特性。图5-2(b)展示了背栅电压为60 V时器件的跨导 (gm)随着顶栅电压的变化关系，最大跨导高达0.78 mS/µm。较大的跨导有利于提升器 件的本征增益和射频增益。 a 2.0 b 1.0 Ids (mA/m) 1.5 Vbg= 60 V 1.0 Vds (V) 1 1.5 0.5 0.0 -2 gm (mS/m) Lg= 1 m -1 0 Vtg (V) 1 Vbg = 60 V 0.5 0.0 Vds (V) 1 1.5 -0.5 -1.0 -2 2 -1 0 Vtg (V) 1 2 图5-2 栅极长度为1 µm器件的转移特性 (a) 不同漏源电压下的转移特性曲线；(b) 不同漏源电压 下跨导和顶栅电压的关系。 图5-3(a)展示了栅极长度为1 µm器件的顶栅电极处于悬空状态时的背栅输出特 性曲线，在较大的漏源电压下器件的输出电流出现饱和，最大电流超过2 mA/µm，开 态电阻(Ron)低至550 Ω·µm，表明器件同时拥有非常低的接触电阻和沟道薄层电阻。 图5-3(b)和(c)分别展示了背栅电压固定为0 V和60 V时器件的顶栅输出特性曲线。随 着背栅电压的增加，器件的顶栅输出特性曲线中出现了极为明显的电流饱和特性。 结合图5-2(b)，在顶栅电压为-2 V到-1 V的区间，器件的跨导随着顶栅电压的变化近 似为线性关系，说明上述输出电流饱和特性的出现是由于沟道夹断导致[93]，也进一 步证实了双栅调控下贝纳尔堆叠双层石墨烯具有一定的带隙。当顶栅电压超过0 V 时，器件的跨导几乎不随顶栅电压改变，表明此时输出电流饱和特性是由载流子的 速度饱和效应导致[117]。图5-3(d)展示了在背栅电压和顶栅电压分别为60 V和-2 V的条 件下，器件的跨导gm、输出漏源电导gds以及本征电压增益gm/gds随着漏源电压的变化 关系。随着漏源电压的增加器件的跨导逐渐增加，而输出漏源电导逐渐下降，最小 的输出漏源电导低至10 µS/µm，对应器件饱和区沟道电阻高达105 Ω·µm。在漏源电 压为1.7 V附近时，器件的本征电压增益高达77，表明器件具有很强的电压放大作用。 66 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 由公式(4-21)可知，高输出沟道电阻有益于提升器件的功率增益和最大振荡频率。 a b Ids (mA/m) Vtg = -1.5 V Vbg = -40 V 0 0 1 Vds (V) c 2 d 1.0 Vtg = 1.5 V Vbg = 0 V 1 Vtg = -1.5 V 1 Vds (V) 0 0 gm,gds (mS/m) Ids (mA/m) Vtg = 1.5 V 1 1 0 0 Vbg = 0 V 2 1 Vds (V) gm 2 80 gds 60 0.5 40 gm/gds Ids (mA/m) Ron = 550 m 2 2 Vbg = 60 V 2 20 0.0 0 1 Vds (V) 0 2 图5-3 栅极长度为1 µm器件的输出特性 (a) 顶栅电极处于悬空状态时的背栅输出特性曲线； (b)-(c) 背栅电压分别为0 V和60 V时对应的顶栅输出特性曲线; (d) 背栅电压为60 V，顶栅电压为 -2 V时，器件的跨导、输出漏源电导以及本征电压增益随着漏源电压的变化关系。 在射频晶体管中，直流特性曲线中回滞效应的存在会造成器件静态工作点的漂 移，严重影响器件在射频放大方面应用的稳定性。图5-4(a)和(b)分别展示了在较大的 漏源电压时栅极长度为2 µm器件在背栅电压为0 V和60 V时，顶栅电压正向扫描(-2 V 到2 V)和反向扫描(2 V到-2 V)时的转移特性曲线。可以明显的看到在背栅电压为0 V 时，器件的狄拉克点电压在0 V附近，当背栅电压为60 V时，器件转移特性曲线中的 回滞比例不超过0.2 V/2 V，表明器件中由双栅介质导致的沟道残余载流子浓度极低。 这和由拉曼光谱表征贝纳尔堆叠双层石墨烯材料时得出的结论一致，即界面处电离 杂质对双层石墨烯的掺杂效应较弱。图5-4(c)和(d)分别展示了栅极长度为2 µm器件在 背栅电压为0 V和60 V时，漏源电压正向扫描(0 V到2 V)和反向扫描(2 V到0 V)时的输 出特性曲线，从图中可看出器件输出特性曲线中电流的回滞很小。双栅贝纳尔堆叠 双层石墨烯器件的转移特性曲线和输出特性曲线中的回滞效应均很弱，充分说明了 器件顶栅介质Al2O3和背栅介质HfSiO中的陷阱杂质浓度均非常低。较小的回滞有利 于稳定器件的静态偏置点，从而增强器件的稳定性。贝纳尔堆叠双层石墨烯器件优 67 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 异的直流特性为其在高性能射频器件方面的应用奠定了基础。 a b 1.0 Lg= 1 m Vds (V) Lg= 1 m Vds (V) Vbg= 0 V 1 1.5 Vbg= 60 V 1 1.5 Ids (mA/m) Ids (mA/m) 0.6 0.3 c 0.0 -2 0.5 -1 0 Vtg (V) 1 2 d -1 0 Vtg (V) Vbg = 0 V Vtg = 1.5 V 0.3 Vbg = 60 V 2 Vtg = 1.5 V 0.5 Vtg = -1.5 V 0.0 0 1 1.0 Ids (mA/m) Ids (mA/m) 0.6 0.0 -2 1 Vds (V) Vtg = -1.5 V 0.0 0 2 1 Vds (V) 2 图5-4 栅极长度为2 µm器件在较高漏源电压下的回滞特性 (a)-(b) 不同背栅电压下正向扫描和反 向扫描时的顶栅转移特性曲线；(c)-(d) 不同背栅电压下正向扫描和反向扫描时的输出特性曲线。 图5-5(a)和(b)分别展示了栅极长度为1 µm和2 µm器件的短路电流增益h21和单向 功率增益U1/2随着频率的变化关系。使用图4-3介绍的SOLT方法对测量系统进行校准， 校准频率范围为10 MHz到30 GHz。射频测试过程中固定背栅电压为60 V，同时将器 件的顶栅电压偏置在跨导最大位置对应的电压。对于栅极长度为2 µm的器件，直接 测量得到的fT和fmax分别为6.7 GHz和9.6 GHz，对应的fmax/fT为1.4。对于栅极长度为1 µm的器件，直接测量得到的fT和fmax分别为13 GHz和16 GHz，对应的fmax/fT为1.2。直 接测量得到的fT*Lg高达13.4 GHz·μm，可以和文献报道的最佳石墨烯射频晶体管性能 相比拟 [46-48] 。图5-5(c)和(d)分别表示栅极长度为1 µm和2 µm器件的开路电压增益 Z21/Z11和正向功率增益|S21|2随着频率的变化关系。对于栅极长度为2 µm的器件，Z21/Z11 在低频下高达15 dB，|S21|2在频率为1 GHz时大于0 dB。对于栅极长度为1 µm的器件， Z21/Z11在低频下高达9 dB，|S21|2在频率为1 GHz时接近1.1 dB，且|S21|2在5.6 GHz时仍 保持在0 dB以上。在整个测量频率范围内(10 MHz-30 GHz)，器件的开路电压增益均 超过0 dB，表明器件在频率高达30 GHz时仍具有电压放大的功能。Z21/Z11和|S21|2在很 68 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 宽的频率范围内下降幅度均较小，表明器件具有很高的带宽。贝纳尔堆叠双层石墨 烯器件的射频性能均优于第四章里面提到的单层石墨烯射频器件。 a b Lg = 2 m Lg = 1 m 10 |h21| 10 U1/2 增益 增益 f max f = 9.6 GHz 1 1 10 频率 (GHz) 10 d 10 15 电压增益 (Z21/Z11) 增益 (dB) 10 = 16 GHz T 频率 (GHz) c max f = 13 GHz fT = 6.7 GHz 1 1 增益 (dB) |h21| U1/2 Lg = 2 m 5 0 -5 0.01 功率增益 (|S21|2) 0.1 1 频率 (GHz) 电压增益 (Z21/Z11) Lg = 1 m 5 0 功率增益 (|S21|2) -5 0.01 10 5.6 GHz 0.1 1 频率 (GHz) 10 图5-5 栅极长度为1 µm和2 µm器件的射频性能 (a)-(b) 不同栅极长度器件的|h21|和U1/2随着频率 的变化关系；(c)-(d) 不同栅极长度器件的Z21/Z11和|S21|2随着频率的变化关系。 采用图4-4展示的标准去嵌方法研究去嵌过程对射频器件性能参数的影响。图 5-6(a)和(b)分别展示了不同去嵌过程对器件fT和fmax的影响。当只通过开路结构去掉寄 生容抗效应时，器件的fT由13 GHz变为14.3 GHz，fmax几乎不改变，这说明寄生容抗 效应对器件的fT影响较大，而对fmax的影响较小。当同时用开路结构和短路结构分别 去掉寄生容抗效应和感抗效应的影响时，器件的fT由13 GHz变为17 GHz，而fmax由16 GHz变为30 GHz，这说明寄生感抗效应对器件的fmax有着极其明显的影响。定义去嵌 比，表示去嵌后器件的射频参数和直接测量得到的射频参数的比值。由上面的结果 可知，当同时采用开路结构和短路结构去嵌时，器件fT的去嵌比约为1.3，而fmax的去 嵌比则高达1.9。为了找出采用短路结构去嵌时fmax去嵌比偏大的原因，我们使用安捷 伦公司的射频仿真软件Advanced Design System对石墨烯射频晶体管做小信号模型的 仿真。采用的小信号模型如图5-6(c)所示，整个小信号模型已经采用开路结构去掉了 寄生容抗效应。假设器件源漏极端口和栅极端口的寄生感抗效应分别包含在(Rs+Rd) 69 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 和Rg中，利用小信号模型仿真提取出不同去嵌过程对应的各个参数。可以得到，使 用短路结构进一步去除器件的寄生感抗效应之后，器件的(Rs+Rd)值由43 Ω下降为20.2 Ω，Rg的值由5.6 Ω下降为1.2 Ω。这说明器件的寄生感抗效应极其明显，甚至达到了 和器件本征感抗相比拟的水平，这将引起额外的功率损耗，降低器件的功率增益， 进而降低了直接测量得到的fmax，造成器件fmax的去嵌比偏大。进一步分析发现，采用 短路结构去掉寄生感抗效应后，器件的(Cgs+Cgd)由152 fF变为147 fF，改变量很小， 说明进一步采用短路结构去嵌对器件fT的影响很小，这个结论和图5-6(a)的结果相符。 图5-6(d)统计了fT和fmax的去嵌比随着器件栅极长度的变化关系，相同栅极长度器件的 数量为10。可以看到随着器件栅极长度的缩短，fT对应的去嵌比快速增加，而fmax对 应的去嵌比增加的幅度很小。在外界寄生容抗效应和感抗效应不变时，随着器件栅 极长度的缩短其本征容抗成比例减小，外界寄生容抗占器件总容抗的比例越来越大， 这将导致器件fT的去嵌比显著增加。另外一方面，器件的本征感抗随着器件栅极长度 的变化很小，使得fmax对应的去嵌比随着器件栅极长度的变化也很小。 a b |h21| 10 100 测量数据 开路去嵌数据 开路短路去嵌数据 U1/2 测量数据 开路去嵌数据 开路短路去嵌数据 Lg = 1m 10 Lg = 1m fmax = 30GHz fT = 17GHz 1 1 1 1 10 频率 (GHz) c d Cgd Rg Cgs Rd gmVgs 开路短路去嵌数据 2.0 Rds Cds 漏极 fT fmax 去嵌比 栅极 10 频率 (GHz) Rs 1.5 1.0 0.5 源极 1.0 1.5 Lg (m) 2.0 图5-6 不同去嵌过程对器件射频参数的影响 (a)-(b) 不同去嵌过程对器件fT和fmax的影响；(c) 去 掉容抗效应的小信号模型；(d) fT和fmax的去嵌比随着器件栅极长度的变化关系，图中不同栅极长 度器件去耦合比的误差线对应的器件数目均为10个。 70 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 5.1.2 顶栅金属为180 nm铝的贝纳尔堆叠双层石墨烯射频器件 a b |h21| 10 Lg= 1 m 10 U1/2 T (K) 300 200 70 4.3 Lg= 1 m T (K) 300 200 70 4.3 20.4 GHz 25 GHz 18.6 GHz 17.1 GHz 1 1 频率 (GHz) 1 1 10 c 频率 (GHz) 10 d Lg= 1 m 30 Lg= 1.5 m fT (GHz) 20 10 Lg= 1 m 30 fmax (GHz) Lg= 2 m Lg= 1.5 m Lg= 2 m 20 10 0 100 T (K) 200 300 0 100 T (K) 200 300 图5-7 顶栅金属电极为180 nm铝器件的射频性能 (a)-(b) 不同温度下栅极长度为1 µm器件的h21 和U1/2随着频率的变化关系； (c)-(d) 不同栅极长度器件的fT和fmax随着温度的变化关系。 由公式(4-21)可知，降低器件的栅极电阻可以进一步增加器件的fmax。为此我们 将器件顶栅铝电极的厚度增加到180 nm，而保持器件的其余结构和图5-1(a)一样。我 们同时研究温度对贝纳尔堆叠双层石墨烯射频器件性能的影响。在传统半导体中， 载流子在低温下的冻析效应使得器件的性能大幅下降，影响器件在极低温场合的使 用。实验研究表明，在石墨烯器件中载流子冻析效应不显著，且在低温下石墨烯受 到的杂质散射效应减弱，石墨烯迁移率提升进而使得石墨烯器件的性能随着温度的 降低而提升[118]。之前有文献报道，当测试温度由300 K降低至4.3 K时，单层石墨烯 射频晶体管的射频性能几乎没有下降[47]。图5-7(a)和(b)分别展示了不同温度下栅极长 度为1 µm器件的短路电流增益h21和单向功率增益U1/2随着频率的变化关系，常温下器 件的fmax高达18.6 GHz，低温下其值高达25 GHz。增加器件的栅极金属厚度后，其fT 和fmax 均有提升。 在 4.3 K的 低温下直接测量得到 器件的 fT*Lg 超过 20 GHz·μm ， (fT*fmax)1/2高达22.6 GHz。图5-7(c)和(d)分别展示了不同栅极长度器件的fT和fmax随着测 71 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 试温度的变化规律。随着测试温度降低至4.3 K，相比常温下栅极长度为2 µm、1.5 µm 和1 µm器件的fT分别增加了21%、33%、19%，fmax分别增加了51%、51%、34%。这 表明贝纳尔堆叠双层石墨烯射频器件在极低温场合有着一定的应用潜能。 另外一方面，我们还研究了贝纳尔堆叠双层石墨烯射频器件在高温下的性能。 图5-8(a)-(d)分别展示了四种栅极长度器件的fT在高温下的变化。器件测试是在大气环 境下进行，且每个测试温度点稳定5分钟后开始测量。可看到随着温度的升高器件的 性能有所下降，但下降幅度较小，其中栅极长度为1.5 µm器件的fT在500 K的高温下 达到5.2 GHz，对应的fT*Lg高达7.8 GHz·μm。石墨烯具有极高的导热系数[6]，使得石 墨烯器件的散热性极好，这在一定程度上保持了石墨烯器件的射频性能。当温度超 过500 K时，器件的顶栅介质漏电导致器件损坏，限制了测试温度的进一步提升。可 以预见的是进一步改善栅介质的质量可以进一步提升石墨烯射频器件的工作温度。 这说明贝纳尔堆叠双层石墨烯射频器件在高温场合也有一定的应用潜力。 a b Lg = 1.5 m 10 fT (GHz) fT (GHz) 15 Lg = 2 m 9 6 3 5 5.2 GHz 2 GHz 0 300 350 400 450 500 T (K) c 0 d 15 300 350 400 Lg = 0.5 m fT (GHz) fT (GHz) 20 5 10 13.2 GHz 4.4 GHz 0 500 30 Lg = 1 m 10 450 T (K) 300 350 400 450 0 500 T (K) 300 350 400 450 500 T (K) 图5-8 (a)-(d) 不同栅极长度射频器件的fT随着温度的变化关系。 72 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 5.1.3 以HfLaO/Si作为衬底的贝纳尔堆叠双层石墨烯射频器件 a b 102 0.4 电容 (F/cm2) 70 nm HfLaO Jg (A/cm2) 101 100 Cox = 0.33 F/cm2 0.3 0.2 0.1 = 26 正向扫描 反向扫描 f = 1 MHz 10-1 -20 -10 c 0 电压 (V) 10 d Lg= 2 m Vds= 0.1 V Ids (A/m) Ids (A/m) 150 100 50 0 -10 0 Vbg (V) 0.0 -3 20 -1 0 电压 (V) 1 2 3 60 Lg= 2 m Vds= 0.1 V 40 20 0 -2 10 -2 -1 0 Vtg (V) 1 2 图5-9 以70 nm HfLaO为背栅介质器件的直流特性 (a) 击穿漏电流随着施加电压的变化关系；(b) 单位面积电容随着施加电压的变化关系；(b)-(c) 背栅转移特性曲线和顶栅转移特性曲线。 前面提到，使用含有90 nm SiO2介质高阻硅衬底的目的是增加双层石墨烯在衬底 上的可见度，但过厚的SiO2背栅介质使得器件测量过程中施加的背栅电压偏大（高 达60 V），影响器件在实际场合中的应用。为降低测试过程中施加的背栅电压，常用 的方法有两种：一种是减薄背栅介质，但过薄的背栅介质会影响双层石墨烯在衬底 上的可见度；另外一种方法是采用κ值更高的背栅介质，在相同的栅极控制电容下可 以增加背栅介质的厚度。图5-9(a)和(b)分别展示了70 nm HfLaO介质的电流-电压和电 容-电压特性。可以看到施加的电压达到20 V时，介质的漏电流低于10 µA/cm2，这表 明70 nm HfLaO的击穿电压高达20 V。电容-电压测试曲线表明在70 nm HfLaO介质中 不存在明显的回滞效应，其单位面积的电容高达0.33 µF/cm2，是90 nm SiO2介质的10 倍左右。提取出70 nm HfLaO的κ值高达26，约为SiO2介质的7倍左右。以70 nm HfLaO 作为背栅介质的贝纳尔堆叠双层石墨烯射频器件结构和图5-1(a)类似，两者只有背栅 介质不同。转移到70 nm HfLaO衬底上的双层石墨烯具有很明显的分辨度，能同时观 73 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 察双层石墨烯的形状和层数，结果如图2-9(b)所示。图5-9(c)和(d)分别展示了栅极长 度为2 µm器件的背栅转移特性曲线和顶栅转移特性曲线，测试时分别让顶栅电极和 背栅电极处于悬空状态。可看出背栅转移特性曲线的狄拉克点电压在0 V附近，顶栅 转移特性曲线的狄拉克点电压在-0.3 V附近，表明背栅介质和顶栅介质中陷阱电荷的 浓度均非常低。 图5-10(a)和(b)分别表示栅极长度为2 µm器件在不同顶栅偏压下的背栅输出特性 曲线。随着顶栅电压的增加，背栅输出特性曲线的饱和特性增强，在较大的漏源电 压下出现了微弱的负微分电阻，这和石墨烯器件的双极导电机制相关[119]。图5-10(c) 和(d)分别表示栅极长度为2 µm器件在不同背栅偏压下的顶栅输出特性曲线。在顶栅 输出特性曲线中，随着背栅电压的增加，器件的输出电流饱和特性大幅增强。 a b 800 800 Vbg = 20 V Vbg = 20 V Vtg = -1 V Ids (A/m) Ids (A/m) Vtg = 0 V 400 400 Vbg = -2 V 0 0 1 c Vds (V) Vbg = -2 V 0 0 2 1 d 600 1000 Vtg = 2 V Vtg = 2 V Vbg = 20 V Ids (A/m) Vbg = 0 V Ids (A/m) 2 Vds (V) 300 500 Vtg = -2 V Vtg = -2 V 0 0 1 Vds (V) 0 0 2 1 Vds (V) 2 图5-10 以70 nm HfLaO为背栅介质的器件的输出特性曲线 (a)-(b) 不同顶栅电压下的背栅输出特 性曲线；(c)-(d) 不同背栅电压下的顶栅输出特性曲线。 图5-11(a)和(b)分别展示了在不同背栅电压下栅极长度为2 µm器件的短路电流增 益h21和单向功率增益U1/2随着频率的变化关系。随着背栅电压从0 V增加到20 V，器 件的fT从4.9 GHz增加至7.5 GHz，fmax从5.7 GHz增加至9.4 GHz，其性能可和前面提到 74 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 的HfSiO/SiO2作为背栅介质的贝纳尔堆叠双层石墨烯射频器件相比拟。图5-11(c)和(d) 分别展示了在背栅电压为20 V时不同栅极长度器件的开路电压增益Z21/Z11和正向功 率增益|S21|2随着频率的变化关系，测试时漏源电压均为2 V。可以看出器件的开路电 压增益随着栅极长度的增加而增加，栅极长度为4 µm器件的开路电压增益超过20 dB。此外，四种栅极长度器件在低频下的正向功率增益均在0 dB以上，且和器件的 栅极长度没有直接依赖关系。由文献报道可知，增加器件的栅极宽度可以进一步提 升器件的正向功率增益[114]。但栅极宽度过大会导致栅极电阻增大，降低器件的最大 振荡频率。这也说明器件的正向功率增益和最大振荡频率之间存在折中关系。 a b 10 10 Vbg (V) Lg = 2 m Lg= 2m U1/2 |h21| 20 15 10 5 fmax = 5.7 GHz fT = 4.9 GHz c 频率 (GHz) 频率 (GHz) 1 10 10 d 24 4 3 2 1 18 12 6 0 0.01 2 Lg (m) Vbg= 20 V 0.1 1 频率 (GHz) 0 |S21|2 (dB) Z21/Z11 (dB) 20 15 10 5 fmax = 9.4 GHz fT = 7.5 GHz 1 Vbg (V) -2 Lg (m) -4 4 3 2 1 -6 0.01 10 Vbg= 20 V 0.1 1 频率 (GHz) 10 图5-11 以70 nm HfLaO作为背栅介质器件的射频特性 (a)-(b) 不同的背栅电压下h21和U1/2随着频 率的变化关系；(c)-(d) 不同栅极长度器件的Z21/Z11和|S21|2随着频率的变化关系。 5.2 贝纳尔堆叠双层石墨烯有源混频器 射频器件是组成射频电路系统最基本的元器件，而以射频器件为基础的混频器 更是射频电路系统的核心。在处理高频信号时，需要使用高品质因素的高频滤波器 实现滤波，其难度大且成本较高。混频器可以通过混频实现频谱搬移，实现下变频 和上变频的功能。其中下变频过程用于接收机，而上变频过程用于发射机。下变频 75 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 过程将高频信号转变为中频信号(intermediate frequency，简称IF)，大大降低了信号处 理过程对滤波电路的要求。 Bias-tee Bias-tee Vds 合路器 Vtg 频谱仪 ZRF(50 Ω) VRF ZL=50 Ω ZLO(50 Ω) VLO Vbg 图5-12 贝纳尔堆叠双层石墨烯有源混频器测量示意图。 晶体管的输出电流同时为栅源电压和漏源电压的非线性函数，利用这种非线性 特性可以实现混频的功能。图5-12展示了贝纳尔堆叠双层石墨烯有源混频器测试电路 图。这种类型的混频器需要将器件偏置在饱和区，以获得最大的变频增益。由于施 加的漏源电压不为零，这种类型的混频器称为有源混频器。本振信号(VLO)和输入射 频信号(VRF)通过外部合路器(external combiner)接入到Bias-tee的射频输入端口，直流 偏置信号接入到Bias-tee的直流输入端口，两者经Bias-tee的输出端口施加在贝纳尔堆 叠双层石墨烯射频器件的栅极输入端口上。器件的漏极端口通过Bias-tee的直流端口 施加漏源电压，混频后的中频信号经Bias-tee的射频端口输出，利用频谱仪接收混频 后的信号。由于测试线路存在一定的损耗，混频器各个参数的数值去除了这些损耗， 以便和其余文献报道的结果进行对比。在固定的漏源电压下，叠加在栅极端口较大 的本振信号使得器件的跨导随着时间做周期性变化，产生时变跨导gm(t)，其周期幅 值与本振信号的周期幅值直接相关。利用傅里叶变换可将gm(t)展开[120, 121]： g m (t ) g 0 2 g n cos(nLOt ) (5-2) n 1 其中g0为直流分量，对应器件处于静态偏置点时产生的跨导分量，gn为跨导的高阶展 76 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 开项，决定了高阶信号的强度。当在器件栅极端口叠加输入射频小信号时，其和本 振信号作用会产生混频的效果，在输出端口出现(fRF-fLO)和(fRF+fLO)两个频率。这种混 频方式也称为基波混频，混频后产生的中频信号强度和时变跨导的一阶展开系数g1 相关，此时变频增益(CG)的表达式为[120]： CG g12 Rds 2 4RF Cgs2 ( Rg Rs Ri ) (5-3) 由公式(5-3)可知，为了提升混频器的变频增益，除了降低器件栅极电阻和源端接触 电阻外，还需要将器件偏置在强饱和区，以获得足够大的饱和区沟道电阻和跨导。 a b 输出功率 (dBm) fRF-fLO -40.0 -80.0 2fLO-fRF fLO 2fLO fRF fRF+fLO -5 Vds= 1.5 V 变频增益 (dB) 0.0 200 MHz -10 Vbg 从 0 V to 40 V 步长 20 V -120.0 1 c 2 3 频率 (GHz) 4 -15 -30 5 d -20 -10 0 输入射频信号功率 (dBm) -5 8 -15 -20 Vbg = 0 V -10 -5 0 本振信号功率 (dBm) 5 -10 6 5 -15 On/off ratio 7 fRF = 2.2 GHz 变频增益 (dB) 变频增益 (dB) -10 fLO = 2 GHz 4 -20 -40 -20 0 20 40 3 Vbg (V) 图5-13 贝纳尔堆叠双层石墨烯有源混频器测试结果 (a) 输出端口信号的频谱图；(b) 不同背栅 电压下变频增益随着输入射频信号功率的变化关系；(c) 变频增益随着本振信号功率的变化关 系；(d) 变频增益和器件开关比随着背栅电压的变化关系。 在实际测试中，固定本振信号频率为2 GHz，射频信号频率为2.2 GHz。图5-13(a) 展示了栅极长度为2 µm器件在背栅电压为40 V时漏极输出端口频谱图，测试采用的 器件结构和图5-1(a)一致。本振信号功率为2 dBm，输入射频信号功率为-25 dBm。在 器件的漏极输出端口频谱图中可以清晰的看到位于200 MHz处的中频信号(fRF-fLO)， 以及位于4.2 GHz处的上变频信号(fRF+fLO)。图5-13(b)展示了不同背栅电压下变频增益 77 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 随着输入射频信号功率的变化关系，其中变频增益的计算方式为中频信号的功率减 去输入射频信号的功率。随着背栅电压的增加，贝纳尔堆叠双层石墨烯器件饱和特 性也增加，使得器件饱和区电阻和跨导均增加，从而导致变频增益的提升。测量得 到的变频增益最大值为-7 dB，是同等频段下所有文献报道的石墨烯有源混频器的最 优值[55, 58, 122, 123]，同时达到了III-V族混频器的水平[124, 125]。图5-13(c)展示了背栅电压 为0 V时变频增益随着本振信号功率的变化关系。本振信号功率越大，时变跨导变化 的幅值就越大，从而使得基波信号的系数g1越大，进而提升混频器的变频增益。本振 信号幅值不能过大，否则会引起器件顶栅介质的击穿，使得混频器失效。随着本振 信号功率增大到一定值，变频增益开始下降。定义变频增益下降1 dB对应的输入信 号幅值为1 dB压缩点CP1dB，表示信号的幅值下降了10%。从图5-13(b)中可以看出， 器件的1 dB压缩点在-2 dBm附近。图5-13(d)展示了变频增益和器件开关比随着背栅电 压的变化规律，器件开关比越大，其变频增益越大。 5.3 贝纳尔堆叠双层石墨烯无源电阻式混频器 5.3.1 无源电阻式混频器原理和测试电路 从前面的分析可以看到，有源混频器的静态工作点需要偏置在器件的强饱和区， 这就要求施加较大的漏源电压，导致器件的静态功耗偏大。不同于有源混频器，无 源电阻式混频器工作在晶体管的线性区，不需要施加漏源电压，静态功耗为零 [66]。 单层石墨烯器件没有带隙，其输出特性曲线的线性度极好，可以使石墨烯无源电阻 式混频器拥有较高的线性度。但另一方面无源电阻式混频器的低变频损耗(conversion loss, 简称CL)要求器件有较大的开关比，这使得贝纳尔堆叠双层石墨烯成为低损耗 无源电阻式混频器的绝佳选择。 无源电阻式混频器的测试电路如图5-14所示，本振信号和直流偏置信号通过 Bias-tee施加在器件的栅极端口，输入射频信号通过高频滤波器施加在器件的漏极端 口，漏极端口产生的中频信号通过低通滤波器输入到频谱仪。由图5-14可知漏极端口 混频产生的中频信号和漏极端口施加的射频输入信号共用一个电极通路，为防止这 两个信号之间的串扰，需要采用低通滤波器和高通滤波器分别将射频信号和中频信 78 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 号隔离。 ZL=50 Ω IF滤波器 Bias-Tee 频谱仪 RF滤波器 BLG FET ZRF(50 Ω) ZLO(50 Ω) Vbg Vtg VRF VLO 图5-14 无源电阻式混频器测试电路图。 本振信号调控器件的沟道电阻，产生时变电阻R(t)。信号源和频谱仪的内阻Z0均 为50 Ω，从器件的漏极端口施加输入射频信号之后，由于R(t)和Z0之间不匹配，会在 漏极端口产生时变反射系数 (t ) ，表达式为： (t ) R(t ) Z 0 R(t ) Z 0 (5-4) 由公式(5-4)可得时变反射系数的最大值 max 为： max Rmax Z 0 Rmax Z 0 (5-5) min Rmin Z 0 Rmin Z 0 (5-6) 时变反射系数的最小值 min 为： 其中Rmax和Rmin分别为本振信号调控下器件沟道的最大电阻和最小电阻。将 (t ) 按照 傅里叶级数展开： (t ) max min 2( max min ) cos(LOt ) ... 2 (5-7) 当在漏端口施加输入射频信号 VRF cos(RF (t )) 时，将会在器件的漏极端口产生反射 79 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 信号 VRF 。只考虑公式(5-7)中傅里叶展开式的基波项时，器件漏极端口输出信号的表 达式为： 2( max min ) cos(LOt ) cos(RFt ) (5-8) [cos(LO RF )t cos(LO RF )t ] (5-9) Vout VRF (t )VRF 利用三角函数的积化和差公式可得： Vout ( max min ) 结合公式(5-9)，由中频信号前面的系数可以推断出无源电阻式混频器的最低变频损 耗为： CL 2 ( max min )2 (5-10) 当 max 和 min 分别取最大值1和最小值-1时，变频损耗可取到最小值π2/4，即为3.9 dB。 这说明无源电阻式混频器没有变频增益，其理论最低变频损耗为3.9 dB。我们定义混 频器的最优阻抗Zopt，其表达式为： Zopt Rmax Rmin (5-11) 当Zopt接近系统的特征阻抗Z0时，变频损耗可以取得最低值。这就要求在器件的最大 沟道电阻和最小沟道电阻之间进行折中，以保证沟道电阻的几何平均值接近Z0。 5.3.2 贝纳尔堆叠双层石墨烯无源电阻式混频器的变频损耗 从公式(5-10)可看出，要想使无源电阻式混频器具有较低的变频损耗，需要使时 变反射系数的变化范围足够大，即器件沟道电阻需要有足够大的变化范围。结合公 式(3-3)、(5-5)、(5-6)和(5-10)，可以得出变频损耗和器件开关比的关系为： CL 2 [( Rmin Z 0 )(On/off ratio) ( Z 0 Z 02 /Rmin )]2 4 Z 02 [(On/off ratio) 1]2 (5-12) 图5-15是根据公式(5-12)绘制的在不同最小沟道电阻(Rmin)下变频损耗和开关比的变 化关系图。随着器件开关比增加，混频器的变频损耗逐渐下降。相同的开关比下， Rmin取值越小变频损耗越低。当开关比达到40以上时，变频损耗随着开关比的下降速 度变慢，其最小值可达7 dB以下，已经接近III-V族无源电阻式混频器的水平[66]。 80 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 20 Rmin () 理论计算的变频损耗 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 CL (dB) 15 10 5 3.9 dB 0 20 40 60 80 100 On/off ratio 图5-15 贝纳尔堆叠无源电阻式混频器变频损耗和开关比的关系。 a b 400 Vbg = -60 V R (Ω) Lg = 0.16 m Al2O3 300 Vbg = 40 V 200 100 14 nm HfSiO Si 0 -9 90 nm SiO2 c -3 d Lg= 0.16m 25 20 6 15 CL (dB) 9 0 Vtg (V) 3 6 Lg (m) 25 CL (dB) 12 On/off ratio -6 20 0.07 0.2 0.5 0.16 0.3 1 10 15 15 3 -60 -40 -20 0 Vbg (V) 20 40 10 10 0 5 On/off ratio 图5-16 贝纳尔堆叠双层石墨烯无源电阻式混频器 (a) 器件结构示意图；(b) 栅极长度为0.16 µm 器件沟道电阻随着双栅电压的变化关系；(c) 器件开关比和最低变频损耗随着背栅电压的变化关 系；(d) 不同栅极长度器件的变频损耗随着器件开关比的变化关系。 我们首先研究了采用原子层沉积生长顶栅介质Al2O3器件的无源电阻式混频器， 器件结构图5-16(a)所示。实际测量中，本振信号频率为2 GHz，功率为15 dBm，射频 输入信号频率为2.2 GHz，且图5-14中的两个滤波器保证本振信号和射频输入信号对 中频信号的隔离度均超过40 dB。此外器件极低栅泄漏电流(Vds为0.1V时，栅泄漏电 81 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 流低于25 pA，图3-3所示)保证了本振信号和输入射频信号之间的隔离度超过40 dB。 图5-16(b)展示了栅极长度为0.16 µm器件沟道电阻随着双栅电压的变化关系，漏源电 压固定为0.1 V。混频器测试时固定背栅电压不变，改变顶栅电压以得到最低的变频 损耗。图5-16(c)展示了器件开关比和最低变频损耗随着背栅电压的变化关系，两者 的变化趋势恰好相反。图5-16(d)展示了不同栅极长度器件的变频损耗随着器件开关 比的变化关系，随着开关比的增加变频损耗降低，这个实验结果和图5-15的理论计算 一致。其中栅极长度为0.16 µm器件的最低变频损耗为12.7 dB，优于所有文献报道的 基于单个石墨烯器件无源电阻式混频器的变频损耗[54, 59-65, 120, 126]。变频损耗随着器件 开关比的变化幅度超过10 dB，说明背栅电压对器件的变频损耗具有很大的调谐能 力。仔细分析图5-16(d)，还可以发现在相同的开关比下短沟道器件的变频损耗更低， 这主要归因于短沟道器件具有更低的Zopt。以栅极长度为0.07 µm和0.16 µm的两个器 件为例，在开关比为4时对应的Zopt分别为48 Ω和115 Ω，即短沟道器件具有更接近系 统特性阻抗的Zopt。这说明具有大开关比的短沟道器件更适合制备低变频损耗的无源 电阻式混频器。进一步降低Zopt，可以优化材料生长和器件制备工艺，提升石墨烯的 迁移率和降低器件的接触电阻。 b Lg = 0.5 m Vbg = -60 V Vbg = 30 V 200 0 -2 Lg=0.5 m PLO= 8 dBm 18 12 600 V = 0.1 V ds 400 15 On/off ratio R (Ω) 800 9 16 6 14 CL (dB) a 3 -1 0 Vtg (V) 1 2 -60 -40 -20 0 20 Vbg (V) 40 60 12 图5-17 基于铝栅工艺器件的贝纳尔堆叠双层石墨烯无源电阻式混频器 (a) 栅极长度0.5 µm器件 的沟道电阻随着双栅电压的变化关系；(b) 栅极长度0.5 µm器件的开关比和最低变频损耗随着背 栅电压的变化关系。 以原子层沉积生长的Al2O3作为顶栅介质，为使得在一定的本振功率下器件的沟 道电阻变化最大，施加在器件栅极端口的本振信号功率高达15 dBm。降低本振信号 的功率，最有效的方法就是减薄顶栅介质的厚度。为此，我们使用图5-1(a)结构的器 82 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 件进行无源电阻式混频器的测量。图5-17(a)展示了栅极长度为0.5 µm铝栅器件沟道电 阻随着双栅电压的变化关系，漏源电压固定为0.1 V。在背栅电压为-60 V时，器件的 最大开关比超过12。图5-17(b)展示了这个器件的开关比和最优变频损耗随着背栅电 压的变化关系，和前面的结果一样，两者的变化趋势恰好相反。在本振功率低至8 dBm 的条件下，栅极长度为0.5 µm器件的最低变频损耗为13 dB。 b 50 Vbg (V) Vbg = -60 V Rmax -60 -40 -20 40 400 R () CL (dB) a 30 200 20 Rmin LO Lg= 0.16 m Vbias 10 -4 -2 0 Vtg (V) 2 0 -9 4 -6 -3 0 Vtg (V) 3 6 图5-18 变频损耗和顶栅电压的关系 (a) 不同背栅偏压下变频损耗随着顶栅电压的变化关系；(b) 在固定的本振功率下，沟道电阻能取到的最大电阻和最小电阻随着顶栅偏压的变化关系。 从以上的分析可知，为了获得足够低的变频损耗，需要使器件沟道电阻具有最 大的变化范围。为了使沟道电阻的变化最大，在传统的半导体无源电阻式混频器中， 需要将器件偏置在阈值电压附近，在本振信号的负半周期内器件处于耗尽态时的关 闭状态，而在本振信号的正半周期内器件处于强反型态时的开启状态。图5-18(a)展 示了不同背栅电压下变频损耗随着顶栅电压的变化关系。不同背栅电压下最低变频 损耗对应的顶栅电压不同，且器件的变频损耗随着顶栅电压的变化呈现非单调变化。 这种非单调的变化关系可以用石墨烯器件的双极导电特性来解释，如图5-18(b)所示。 在固定的本振信号扫描范围内，器件沟道的最大电阻和最小电阻随着顶栅电压静态 偏置点的改变而改变，进而引起变频损耗的改变。由于石墨烯具有双极导电性，在 两个不同的顶栅电压静态偏置点时，最大电阻或最小电阻的取值存在相等的情况， 即不同顶栅电压静态偏置点下器件的变频损耗相同。在保证最大电阻能取在器件狄 拉克电阻的前提下，本振信号功率越大，最小电阻可以取到的值越小，变频损耗也 就越小。这说明亚阈斜率越小的器件，其作为无源电阻式混频器使用时需要的本振 信号功率就越小。背栅电压为-60 V时，器件最低变频损耗对应的顶栅电压静态偏置 83 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 点和器件的狄拉克点电压不一致，这也可用图5-18(b)来解释。由于石墨器件的开关 比小，亚阈斜率大，且具有双极导电性，在选择顶栅电压静态偏置点时可以让本振 信号扫描电压的上边界处于器件狄拉克点电压处。此时将顶栅电压偏置在远离狄拉 克点电压的位置，保证了在本振信号扫描电压的下边界处器件的最小电阻能取得足 够小，进而获取最低的变频损耗。 b Vbg = -60 V Vbg = 40 V On/off ratio R () 300 100 -4 Vbg = -60 V -40 -20 300 320 d 340 温度 (K) 10 0 380 10 Vbg = -60 V 30 20 360 T = 300 K T = 380 K 40 30 -10 5 0 8 T = 300 K T = 380 K -30 -50 4 15 CL (dB) -20 0 Vtg (V) CL (dB) 输出功率 (dBm) c Vbg = -60 V 10 200 0 -8 20 15 T= 380 K CL (dB) a 20 0 1 2 3 时间 (h) 0 输入射频信号功率 (dBm) 10 10 -15 -10 -5 0 5 10 本振信号功率 (dBm) 15 图5-19 贝纳尔堆叠双层石墨烯无源电阻式混频器的高温特性 (a) 温度为380 K时沟道电阻随着 双栅电压的变化关系；(b) 器件开关比和变频损耗随着温度的变化关系；(c) 不同温度下中频信 号输出功率随着射频输入信号功率的变化关系。插图为变频损耗随着时间的变化规律；(d) 不同 温度下变频损耗随着本振信号功率的变化关系。 在传统的半导体混频器中，随着环境温度的升高，混频器的性能会下降。混频 器的温度稳定性决定了其在实际场合中的应用，为此我们测量了贝纳尔堆叠双层石 墨烯无源电阻式混频器在高温下的特性。图5-19(a)展示了温度为380 K时栅极长度为 0.2 µm器件的沟道电阻随着双栅电压的变化关系，器件的关态电阻和开态电阻均随着 温度的升高而增大。随着温度的升高，器件的最大开关比从温度为300 K时的9.8下降 为380 K时的5，对应混频器的变频损耗从14.7 dB变为16.7 dB，如图5-19(b)所示。不 同温度下输出中频信号功率随着输入射频信号功率的变化关系如图5-19(c)所示，器 84 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 件的1 dB压缩点从300 K时的2.5 dBm下降为380 K时的1.5 dBm。图5-19(c)中的插图展 示了温度为380 K时混频器的变频损耗随着时间的变化规律，在3小时内器件的变频 损耗增加了2 dB。以上结果表明基于贝纳尔堆叠双层石墨烯的无源电阻式混频器具 有较好的高温稳定性和可靠性。图5-19(d)展示了不同温度下混频器的变频损耗随着 本振信号功率的变化关系，随着本振信号功率的增加，混频器的变频损耗近乎线性 的减小，在本振信号功率约为15 dBm时达到饱和。 5.3.3 贝纳尔堆叠双层石墨烯无源电阻式混频器的线性度 不管是放大器还是混频器，线性度都是一个非常重要的参数。常用1 dB压缩点 和输入三阶交调点(intput third-order intercept point，简称IIP3)来表征放大器和混频器 的线性度。放大器和混频器的线性度越好，其输入信号的动态范围也就越大。 ZL=50 Ω 频谱仪 IF滤波器 Bias-Tee RF滤波器 BLG FET 合路器 ZRF(50 Ω) Vtg ZRF(50 Ω) ZLO(50 Ω) Vbg VRF1 VRF2 VLO 图5-20 无源电阻式混频器双音测试电路。 图5-20展示了测量无源电阻式混频器线性度的双音测试电路，在器件的栅极端口 施加本振信号，在漏极端口同时施加两路射频信号RF1和RF2，通过信号的交调作用 可以提取出混频器的输入三阶交调点。两路射频信号的频率分别为fRF1=2.09 GHz和 fRF2=2.11 GHz，本振信号为fLO=2 GHz。根据前面的分析，当混频信号出现时，对应 的中频信号分别为fIF1=fLO-fRF1=90 MHz，fIF2=fRF2-fLO=110 MHz。除了中频信号外，输 出信号中还包含了其余的交调信号，特别是三阶交调信号(third order intermodulation， 85 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 简称IM3)，其频率分别为fIM3-1=2fRF1-fRF2-fLO=70 MHz，fIM3-2=2fRF2-fRF1-fLO=130 MHz。 三阶交调信号和中频信号间隔非常小，使得三阶交调信号落在中频信号的频带内， 很难用低通滤波器将三阶交调信号滤除，会对中频信号产生极大的影响。由中频信 号和三阶交调信号的定义可知，三阶交调信号幅值随着输入射频信号功率变化的斜 率是中频信号幅值随着输入射频信号功率变化斜率的三倍。当中频信号和三阶交调 信号的幅值相等时，将此时的输入射频信号对应的功率定义为输入三阶交调点。输 入三阶交调点越大，说明混频器对三阶交调信号的抑制作用越强，即中频信号受到 的干扰越小，混频器的线性度越好。 在双音测试中，可由其中一路中频信号功率随着对应的输入射频信号功率变化 关系得出混频器的1 dB压缩点。测试时将顶栅电压偏置在器件变频损耗最小的位置， 即在最低变频损耗偏置电压下研究混频器的线性度。图5-21(a)和(b)分别展示了栅极 长度为0.16 µm和1 µm器件的中频信号功率随着射频输入信号功率的变化关系。背栅 电压为-60 V时两个器件的1 dB压缩点均比背栅电压为0 V时的差，同时长沟道器件的 1 dB压缩点比短沟道器件的大。对于栅极长度为1 µm的器件，背栅电压为0 V时其1 dB 压缩点高达11 dBm。 b -10 Vbg (V) -20 Lg= 0.16m -60 0 m .5 =1 CP -30 dB B 1d =4 dB m dB CP 1 -40 -50 中频信号功率 (dBm) 中频信号功率 (dBm) a -20 -10 0 输入射频信号功率 (dBm) 10 0 Vbg (V) -60 0 -10 .5 =7 dB m dB CP 1 1 =1 -20 CP 1 dB m dB -30 Lg= 1m -40 -20 -10 0 10 输入射频信号功率 (dBm) 20 图5-21 (a)-(b) 不同栅极长度器件的中频信号输出功率随着输入射频信号功率的变化关系。 图5-22(a)和b分别展示了栅极长度为0.16 µm和1 µm器件的输出端口信号功率随 着频率变化的频谱图，从图中可以清晰的看到混频后产生的中频信号和三阶交调信 号，且中频信号和三阶交调信号的间隔为20 MHz，与理论预测计算结果一致。双音 测试时固定本振信号的功率为15 dBm，逐渐增加输入射频信号的功率，且两路射频 输入信号的功率保持一致。对于栅极长度为0.16 µm的器件，当输入射频信号功率为 86 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 -16 dBm时，中频信号和三阶交调信号的功率差为49 dBc。对于栅极长度为1 µm的器 件，当输入射频信号功率为-10 dBm时，中频信号和三阶交调信号的功率差为59 dBc。 可用公式直接计算输入三阶交调点[58]： IIP3 = ( IM 3 IF )/2+RFin (5-13) 其中RFin为输入射频信号功率。由此计算出当背栅电压为0 V时，栅极长度为0.16 µm 和1 µm器件的输入三阶交调点分别为8.5 dBm和19.5 dBm。图5-22(c)和(d)分别展示了 栅极长度为0.16 µm和1 µm器件的输出信号功率随着输入射频信号功率的变化关系， 其中三阶交调信号随着输入射频信号功率的变化斜率是中频信号的3倍，与理论分析 的结果一致。实际的测量过中，考虑到器件工作电压的限制，输入射频信号的功率 不能过大，这种情况下需要使用外推法求得混频器的输入三阶交调点。利用外推法 得到栅极长度为0.16 µm和1 µm器件的输入三阶交调点分别为8.6 dBm和20 dBm，这 与直接用公式(5-13)计算的结果一致。此外，混频器的输入三阶交调点和1 dB压缩点 的差值在9 dB左右，这与理论预测和实验测量得到的9.6 dB很接近[58, 127]。 a b -40 49 dBc fIF1 -60 -80 Vbg = 0 V fIF2 L = 0.16 m g fIM3-1 fIM3-2 LO = 2 GHz, 15 dBm -20 RF = 2.09 GHz, 2.11 GHz, -10 dBm -40 -60 Lg= 1 m Vbg= 0 V fIF1 fIF2 59 dBc -80 fIM3-2 fIM3-1 -100 -100 60 80 0 120 d -40 Vbg=0 V -60 -80 IIP3=8.6 dBm -100 -20 60 140 -10 0 10 20 输入射频信号功率 (dBm) 80 100 120 0 140 频率 (MHz) 20 Lg=0.16 m IM3 IF -20 100 频率 (MHz) c 输出功率 (dBm) 0 输出功率 (dBm) LO = 2 GHz, 15 dBm -20 RF = 2.09 GHz, 2.11 GHz, -16 dBm 输出功率 (dBm) 输出功率 (dBm) 0 IM3 IF Vbg = 0 V Lg=1 m -20 -40 -60 -80 -100 -20 IIP3 = 20 dBm -10 0 10 20 输入射频信号功率 (dBm) 30 图5-22 贝纳尔堆叠双层石墨烯无源电阻式混频器的输入三阶交调点 (a)-(b) 栅极长度分别为 0.16 µm和1 µm器件的输出信号频谱图；(c)-(d) 栅极长度分别为0.16 µm和1 µm器件的输出功率随 着射频输入信号功率的变化关系。 87 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 我们进一步研究贝纳尔堆叠双层石墨烯无源电阻式混频器的输入三阶交调点随 着器件开关比的变化关系。图5-23(a)展示了不同栅极长度器件的输入三阶交调点和 开关比的依赖关系。在相同的开关比下，长沟道器件的输入三阶交调点高于短沟道 器件，同时输入三阶交调点随着开关比的增加而下降。这个规律和变频损耗随着开 关比的变化规律相同，即两者均随着开关比的增加而下降，但变频损耗是向着性能 提升的方向改变而输入三阶交调点是向着性能恶化的方向改变，这说明变频损耗和 输入三阶交调点之间存在折中关系。图5-23(b)展示了不同背栅偏压下栅极长度为1 µm器件的输入三阶交调点随着顶栅偏置电压的变化关系，这个变化规律也和变频损 耗随着顶栅偏置电压的变化规律相反，且最大的输入三阶交调点高达23 dBm。石墨 烯器件带隙小，饱和特性不像传统半导体那么强，导致石墨烯器件输出特性曲线的 线性特性很好。然而随着贝纳尔堆叠双层石墨烯器件开关比增大，其输出特性曲线 的线性特性会变差，导致混频器的线性度也变差，输入三阶交调点减小。此外，要 实现高线性度的无源电阻式混频器，要求器件的沟道电阻只由双栅电压控制，而不 受器件漏源电压的影响。当输入射频信号幅值过大时，相当于给器件施加了一个较 大的漏源电压。较大的漏源电压对于长沟道器件的影响弱于短沟道器件，导致长沟 道器件的线性度更好，其输入三阶交调点更大。 a b 25 Lg (m) 0.07 0.5 20 0.16 1 15 10 IIP3 (dBm) IIP3 (dBm) 25 20 15 Vbg (V) -60 -40 -20 10 5 0 0 Lg= 1 m 3 6 9 On/off ratio 12 5 15 -4 -2 0 Vtg (V) 2 4 图5-23 输入三阶交调点和器件开关比以及双栅偏压的关系 (a) 不同栅极长度器件的输入三阶交 调点和器件开关比的关系；(b) 输入三阶交调点随着双栅电压的变化关系。 88 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 5.4 本章小结 本章对基于贝纳尔堆叠双层石墨烯的射频器件和混频电路进行了详细研究。首 先从改善贝纳尔堆叠双层石墨烯射频器件的性能出发，讨论了不同衬底、不同厚度 顶栅金属和不同温度对器件射频性能的影响。贝纳尔堆叠双层石墨烯射频器件表现 出优异的温度特性，在4.3 K的低温下直接测量得到器件的fT*Lg超过20 GHz·μm，在 500 K高温下器件的fT*Lg高达7.8 GHz·μm。接着我们以制备出的高性能贝纳尔堆叠双 层石墨烯射频器件为基础进行了有源混频器和无源电阻式混频器的研究。在有源混 频器中，变频增益随着器件开关比的增加而增加，最大的变频增益高达-7 dB，达到 了III-V族混频器的水平。在无源电阻式混频器中，变频损耗和输入三阶交调点均随 着器件开关比的增加而下降，其中最低变频损耗为12.7 dB，最大输入三阶交调点为 23 dBm。此外，贝纳尔堆叠双层石墨烯无源电阻式混频器的变频损耗和线性度之间 存在折中关系，具有较大开关比的短沟道器件具有更低的变频损耗，而具有较小开 关比的长沟道器件具有更高的输入三阶交调点。同时我们还发现贝纳尔堆叠双层石 墨烯无源电阻式混频器具有很好的高温稳定性和可靠性，其工作温度高达380 K。这 是首次对贝纳尔堆叠双层石墨烯进行射频器件和混频电路方面的研究，为高性能石 墨烯射频器件的发展提供了重要的参考。 89 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 6 总结与展望 6.1 本文总结 在本论文中，我们利用化学气相沉积生长的石墨烯作为沟道材料，对石墨烯器 件的直流特性、低频噪声特性和射频特性进行了详细的研究，总体思路是从石墨烯 的低频特性研究到高频特性，从单层石墨烯研究到双层石墨烯。研究内容主要包含 以下几个方面： 一、介绍了晶圆级单层石墨烯和大尺寸贝纳尔堆叠双层石墨烯的化学气相沉积 生长和拉曼光谱表征。对于晶圆级单层石墨烯，首先使用化学气相沉积方法在铜箔 盒子内表面生长出尺寸超过3 mm的单晶石墨烯，然后延长生长时间使得单晶石墨烯 融合以得到晶圆级石墨烯薄膜。晶圆级石墨烯拉曼光谱表征中，2D峰半高宽离散系 数低至0.07，多层石墨烯占比低于6%，表明获得了高均一性的晶圆级单层石墨烯。 对于贝纳尔堆叠双层石墨烯，采用的是铜箔盒子内部碳原子的外扩散生长机制，在 铜箔盒子外表面生长出了尺寸超过600 μm的双层石墨烯。接着用拉曼光谱表征了双 层石墨烯堆叠方式以及不同衬底对其拉曼光谱的影响。高质量石墨烯材料的制备为 后续高性能的石墨烯器件奠定了基础。 二、介绍了双栅石墨烯器件的制备工艺和贝纳尔堆叠双层石墨烯的低频噪声特 性。首先开发出了两种石墨烯器件顶栅介质的制备工艺，一种是基于原子层沉积生 长顶栅介质的工艺，另外一种是基于电子束蒸发生长顶栅介质的工艺。接着采用低 温手段测量了贝纳尔堆叠双层石墨烯的带隙，其最大带隙超过40 meV。最后对双栅 贝纳尔堆叠双层石墨烯器件的低频噪声特性进行了详细研究，发现其归一化噪声功 率谱密度随着顶栅电压的变化呈M型关系，且可以利用charge-noise模型很好地解释 这种噪声偏压依赖关系。此外器件的面积归一化功率谱密度在常温下低至3×10-10 μm2/Hz，在低温下低至1.5×10-10 μm2/Hz。双栅贝纳尔堆叠双层石墨烯器件优异的低 频噪声特性为其在高性能射频器件和电路发方面的应用提供了重要基础。 三、介绍了晶圆级单层石墨烯射频器件的均一性统计。首先分析了射频器件的 90 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 测试原理、射频测试系统校准和射频器件去嵌方法，接着仔细分析了石墨烯射频器 件的物理特性和小信号电路模型，提出了fT、fmax、|S21|2、Z21/Z11等射频参数。最后对 晶圆级单层石墨烯射频器件的均一性进行了统计分析。直流特性表征中，栅极长度 为0.8 μm器件的狄拉克电压为1.22 ± 0.09 V，对应离散系数低至0.07，最大跨导为 422.5 ± 12.6 μS/μm, 对应离散系数低至0.03。不同栅极长度器件的最大跨导为398.7 ± 53.3 μS/μm，对应的离散系数低至0.13。射频性能表征中，器件本征fT*Lg高达20 GHz·μm，所有器件的fmax/fT为0.99 ± 0.11，对应离散系数低至0.11。以上结果表明我 们得到了高性能且高均一性的晶圆级石墨烯射频器件，为石墨烯射频器件的大规模 应用提供了重要参考。 四、介绍了基于贝纳尔堆叠双层石墨烯的射频器件和混频器。首先从改善贝纳 尔堆叠双层石墨烯射频器件性能出发，讨论了不同衬底和不同厚度顶栅金属对器件 射频性能的影响，制备出了高性能的贝纳尔堆叠双层石墨烯射频器件。接着研究了 温度对贝纳尔堆叠双层石墨烯射频器件性能的影响，在4.3 K低温下直接测量得到器 件的fT*Lg超过20 GHz·μm，在500 K高温下器件的fT*Lg高达7.8 GHz·μm，表明贝纳尔 堆叠双层石墨烯射频器件具有优异的温度特性。最后以高性能的贝纳尔堆叠双层石 墨烯射频器件为基础进行了有源混频器和无源电阻式混频器的研究。有源混频器的 变频增益随着器件开关比增加而增加，最大变频增益高达-7 dB，是同等频段下文献 报道的基于单个石墨烯射频晶体管混频器的最优值。无源电阻式混频器的变频损耗 随着器件开关比增加而大幅改善，最优变频损耗低至12.7 dB。此外，无源电阻式混 频器具有很好的线性度，输入三阶交调点高达23 dBm，但其线性度随着器件开关比 增加而变差，表明无源电阻式混频器的变频损耗和线性度之间存在折中关系。这是 首次对贝纳尔堆叠双层石墨烯进行射频器件和混频器方面的研究，且其性能相比单 层石墨烯器件有大幅度的提升，为高性能石墨烯射频器件的发展提供了重要参考。 综上，在本论文中，我们从材料质量优化出发，首先确保了高质量石墨烯薄膜 的成功制备。接着优化了石墨烯器件性能，充分研究了其低频噪声特性和射频特性， 得到的实验结果均达到了国际领先水平，表明石墨烯器件在射频电路领域有很大的 应用潜力。 91 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 6.2 下一步的工作和展望 通过本文的研究，我们发现贝纳尔堆叠双层石墨烯器件在射频器件和电路方面 具有广阔的应用前景。以贝纳尔堆叠双层石墨烯为基础，我们下一步的工作和展望 为： 一、晶圆级贝纳尔堆叠双层石墨烯材料生长。根据本文分析，贝纳尔堆叠双层 石墨烯相比单层石墨烯具有更大的优势，而大面积高质量材料的制备是一切应用的 出发点。制备高质量晶圆级贝纳尔堆叠双层石墨烯是今后一个研究的重点。 二、进一步增加贝纳尔堆叠双层石墨烯的带隙。本文得到的贝纳尔堆叠双层石 墨烯带隙只有50 meV左右，虽然带来了石墨烯器件优异的直流特性和射频特性，但 其性能和III-V族器件相比仍然有差距。结合文献报道，使用六方氮化硼作为双栅介 质能大幅度提升贝纳尔堆叠双层石墨烯的带隙，有望发挥石墨烯极高迁移率的优势 进而大幅提升石墨烯器件的射频性能。 三、进一步降低器件的接触电阻。以二维材料为沟道材料制备的器件，接触电 阻普遍较大，特别是在短沟道器件中接触电阻对器件性能有着决定性影响。开发一 种稳定且可重复性高的改善接触电阻工艺是进一步提升石墨烯器件性能的关键因 素。 四、柔性电子学方面的应用。石墨烯超薄的属性使其在柔性电子学领域有很大 的应用潜能，且石墨烯材料属于碳基材料，具有很强的生物兼容性，其和碳纳米管 结合有望制备出可穿戴的全碳电子系统。 92 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 致 谢 五年光阴，转瞬即逝。从博士一年级对科研的懵懂无知到博士五年级收获丰富 的科研成果，这期间我不仅丰富了自己的知识，扩展了自己的视野，还具备了独当 一面的工作能力。在此向博士期间给予我帮助的人表示感谢。 感谢导师吴燕庆教授对我的指导和培养。吴老师学术造诣深厚，科研视野开阔， 对科学研究有着极高的热情和追求，带领我们课题组不断地取得突破性科研成果。 吴老师工作勤奋，平易近人，一直带着我们奋战在科研一线。吴老师对学生的培养 极其耐心，要求学生在科学研究方面做到胆大心细、勤于动手、善于思考，这些要 求使我具备了严谨的科学研究素养。吴老师还特别注重培养学生独立思考和独当一 面的能力，这对我博士期间多次独自出差成功完成科研项目有着极大的帮助。 感谢李学飞老师的引导和帮助。您能时刻纠正我们实验中不规范的地方，您对 课题组实验室的管理和建设做出了很多的贡献。 感谢张幸老师对实验室的后勤支持以及对学生的关爱，实验室的正常运转离不 开您，实验室学生之间的和睦关系离不开您。 感谢李思超师兄，我第一次来实验室是您亲自接待的我，并向我详细介绍了实 验室的情况。您对待科学实验和实验室管理方面认真细致的态度给我树立了榜样。 感谢李调阳师兄对我在器件制备、软件使用和器件测试等方面手把手的指导， 您的耐心和鼓励让我受益良多，您对实验室的无私奉献精神深刻影响着我。 感谢熊雄、张振丰、李晟曼，我们本科在同一个学校和同一个专业，且都属于 同一届博士和同一个实验室，在碰到科研和生活方面的困难时我们总是互帮互助， 共同进步。感谢你们，你们的未来是一片光明。 感谢王明亮师兄提供脉冲强磁场科学中心微纳课题组的保研信息，让我顺利保 研到了吴老师的微纳课题组。感谢宋亮师兄教会我化学试剂的购买流程。感谢黄明 强师兄在实验作图和论文写作方面的指导。感谢高庆国师兄在射频测试方面的指导。 感谢胡倩澜、王梦飞、高婷婷、王欣、宋健、胡奔、刘洋、詹丹、谷承儒、韩 林鑫、童安泽、张誉宝人员在实验室维护方面做出的贡献。 93 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 感谢国家光电研究中心微纳平台老师和学生在实验设备操作方面提供的支持。 感谢中国科学院物理研究所微加工实验室在实验设备方面提供的支持。 感谢我的父母，您们对我的学业从来都是放一百个心，您们总是时刻信任着我。 一路有你们的无私奉献和默默支持，让我在前进的道路上无后顾之忧。 感谢妻子严逸婷，我们从本科相识到相爱，再到博士五年级走进婚姻殿堂，正 因为一路有你，我才不断进步。未来的我们会更加幸福美满。 田猛串 2020年6月 94 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 参考文献 [1] K. 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