盧琪 呂宏鳴 伍曉明 吳華強 錢鶴

1)(清華大學微電子所,北京 100084)

2)(萊斯大學,得克薩斯州休斯敦市 77005)

3)(清華信息科學與技術(shù)國家實驗室,北京 100084)

石墨烯射頻器件研究進展?

盧琪1)呂宏鳴2)伍曉明1)吳華強1)3)錢鶴1)3)?

1)(清華大學微電子所,北京 100084)

2)(萊斯大學,得克薩斯州休斯敦市 77005)

3)(清華信息科學與技術(shù)國家實驗室,北京 100084)

(2017年7月4日收到;2017年8月4日收到修改稿)

石墨烯,場效應晶體管,射頻,截止頻率

1 引 言

隨著集成電路制造技術(shù)的不斷發(fā)展,硅基互補金屬氧化物半導體(CMOS)晶體管的工藝節(jié)點逐漸進入了10 nm及以下,集成電路的集成度在不斷提高.但是,由于短溝效應等物理規(guī)律的限制,集成電路制造工藝節(jié)點進一步提升的難度越來越大,摩爾定律可能終結(jié).因此,研究器件新結(jié)構(gòu)以及新的半導體材料是近年來解決這些問題的主要技術(shù)路徑.

自2004年英國曼徹斯特大學的兩位科學家Geim和Novoselov使用機械剝離得到單層石墨烯材料之后,這種二維材料由于其優(yōu)越的電學、機械、和熱學等性能,獲得了廣泛關(guān)注與研究[1,2].解決短溝道效應引起的晶體管閾值電壓降低、漏致勢壘降低等問題的有效方法是減薄柵介質(zhì)層以及柵控區(qū)域的厚度.單層石墨烯作為溝道材料只有一個原子層厚度,使柵控區(qū)域厚度降低到極限,從而為解決短溝道效應提供可能[3].另外,由于石墨烯單層結(jié)構(gòu)聲子散射小,使得石墨烯具有超高的載流子遷移率,室溫下實測超過100000 cm2/(V·s)[4].如此高的遷移率使石墨烯在高頻領(lǐng)域中具有非常廣闊的應用前景.此外,石墨烯具有超高的強場漂移速度,能夠承受由于柵長減小導致的超高的溝道電場強度[3].基于石墨烯材料的這些優(yōu)點,石墨烯晶體管的研究得到了廣泛的關(guān)注.

大面積石墨烯單層的生長轉(zhuǎn)移技術(shù)及其適用于光刻、刻蝕等微納加工技術(shù)的特點,為實現(xiàn)石墨烯晶體管的集成提供了保障.然而,石墨烯溝道晶體管與傳統(tǒng)硅金屬氧化物半導體場效應晶體管(MOSFET)在結(jié)構(gòu)及性能都有一些區(qū)別,圖1為典型硅基MOSFET和頂柵石墨烯晶體管的結(jié)構(gòu)示意圖,以及石墨烯晶體管的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性[3].由圖1(c)可以看出,由于石墨烯沒有禁帶,導致石墨烯晶體管的關(guān)態(tài)電流很大,器件開關(guān)比很小,不能直接用于數(shù)字電路.但是在射頻(radio frequency,RF)領(lǐng)域,通常不會關(guān)心開關(guān)比的大小.考慮到石墨烯有很高的載流子遷移率,石墨烯晶體管在射頻領(lǐng)域有很大的應用潛力,因此,其高頻特性以及其射頻電路的研究受到了極大的關(guān)注.本文主要介紹近年來射頻石墨烯場效應晶體管的結(jié)構(gòu)設計、制作工藝、性能測試及其在射頻電路方面的研究進展.

圖1 MOSFET與石墨烯晶體管結(jié)構(gòu)特點[3] (a)n型溝道硅MOSFET截面示意圖;(b)石墨烯晶體管結(jié)構(gòu)示意圖,紅色區(qū)域代表石墨烯;(c)石墨烯晶體管轉(zhuǎn)移特性曲線;(d)石墨烯晶體管輸出特性曲線Fig.1.Structure of MOSFET and graphene field effect transistors[3]:(a)Cross-section of an n-channel Si MOSFET;(b)schematics of graphene transistor,where red block refers to graphene;(c)transfer curve of graphene transistor;(d)output curve of graphene transistor.

2 高性能石墨烯材料的制備

石墨烯的制備方法有很多,包括機械剝離、液相分離[5?7]、碳化硅外延[8?10]、化學氣相沉積(chemical vapor deposition,CVD)[11?13]等. 機械剝離法獲得的石墨烯質(zhì)量好,但是材料面積很小,無法用于生產(chǎn),主要應用于材料性能研究和器件原理性驗證;液相分離得到的石墨烯一般雜質(zhì)較多,無法獲得大面積單層石墨烯,常應用于電子墨水、能量儲存等領(lǐng)域;而CVD與碳化硅外延方法得到的石墨烯材料更適合在電子領(lǐng)域的應用,質(zhì)量較好并且面積較大[14].

2.1 CVD法制備石墨烯

CVD法制備石墨烯材料時,常用金屬銅、鉑作為襯底,得到的石墨烯多為多晶材料.多晶材料存在晶界,晶界散射將影響石墨烯載流子的遷移率.因此,有很多工作致力于生長高質(zhì)量、大面積的單晶石墨烯,目前單晶石墨烯的晶籌已經(jīng)可以達到毫米甚至厘米量級[15?21].

此外,在金屬襯底上生長的石墨烯,還需要通過轉(zhuǎn)移工藝將其置于硅或者其他基片表面進行后續(xù)的晶體管工藝.而轉(zhuǎn)移過程會對石墨烯引入沾污和缺陷,如殘余的聚合物支撐層等.因此,Feng等[22]、Liu等[23,24]、Wu等[25]在絕緣或?qū)捊麕О雽w材料如SrTiO3、熔融態(tài)玻璃及SiC上直接生長、外延石墨烯,該方法能夠避免轉(zhuǎn)移過程對石墨烯性能的影響.

常用的SiO2等介質(zhì)材料對石墨烯載流子有很大的散射,使其實際遷移率遠小于本征值.六方氮化硼(hexagonal boron nitride,hBN)是一個寬禁帶、性能穩(wěn)定的二維材料,其表面比SiO2等更平滑、更干凈,且沒有懸空鍵,是提高二維材料晶體管特性的良好襯底.直接在hBN襯底上生長高質(zhì)量的石墨烯材料,也是當前研究的熱點之一[26?29].

2.2 CVD石墨烯的轉(zhuǎn)移

金屬襯底上CVD生長的石墨烯樣品通常需要轉(zhuǎn)移到其他襯底上進行器件制備.常用的方法是使用聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)或者其他高分子聚合物作為支撐物進行轉(zhuǎn)移,但高分子聚合物容易殘留在石墨烯表面,引入沾污,從而影響石墨烯的性能.利用小分子聚合物,例如:2-(diphenylphosphory)spiro fl uorene(SPPO1)[30]或松香[31]作為支撐層的緩沖層、或者代替?zhèn)鹘y(tǒng)的支撐層,去除更加容易、干凈,可以改善轉(zhuǎn)移后石墨烯的質(zhì)量.此外,還可以選擇使用金屬材料作為轉(zhuǎn)移支撐物,能夠在對石墨烯進行保護的同時,作為器件結(jié)構(gòu)的一部分[32].

3 石墨烯射頻場效應晶體管的建模與結(jié)構(gòu)

3.1 石墨烯射頻場效應晶體管的建模

半導體器件的電路模型是半導體制造與電路設計者之間的橋梁,在半導體領(lǐng)域具有重要的作用[33].在單管器件的電學特性方面,北京大學Lü等[34]使用第一性原理量子傳輸模擬構(gòu)造了溝道長度小于10 nm的石墨烯場效應晶體管,并計算其射頻特性.該課題組在典型石墨烯場效應晶體管結(jié)構(gòu)(如圖1(b)所示)的基礎(chǔ)上設計了兩種溝道結(jié)構(gòu):六方氮化硼/單層石墨烯/六方氮化硼與雙層石墨烯,這兩種結(jié)構(gòu)在垂直外加電場的作用下都能夠打開石墨烯禁帶.石墨烯禁帶打開后可以觀察到明顯的漏極電流飽和,從而提高器件的最大本征電壓增益.仿真結(jié)果表明,當柵長從9.86 nm減小至0.91 nm時,石墨烯晶體管本征截止頻率(cut-o ff frequency,fT)從3.4 THz提高到了21 THz,展示出石墨烯晶體管在高頻下的應用潛力.

在晶體管電路設計方面,器件的集約模型(compact model)能夠準確地描述晶體管的性能,并且可解析,不含微分、積分,常用在電路以及系統(tǒng)級的設計仿真中.與MOSFET相比,石墨烯場效應晶體管的集約模型需要改進電荷層模型(charge sheet model)[35]、虛擬源電流電壓模型(virtualsource current–voltage model)[36]等. 此外, 針對石墨烯晶體管在模擬、射頻領(lǐng)域應用時不需要對能帶進行調(diào)控,以及錐形能帶導致的載流子速度一致的特點,提出了漂移-擴散模型(drift-diffusion model)[37,38]以及以玻爾茲曼方程為基礎(chǔ)建立的模型[39]等.武漢大學[40]、清華大學[38,41]在石墨烯場效應晶體管集約模型的基礎(chǔ)上,對石墨烯射頻倍頻器、混頻器及放大器電路進行了仿真,為石墨烯射頻電路的設計與實驗研究提供了有效的支持.

3.2 雙指/多指柵結(jié)構(gòu)

雙指及多指柵結(jié)構(gòu)是改善晶體管射頻特性的常用方法之一:通過并聯(lián)多個同樣的柵線條,可以有效減小柵極電阻,從而增大器件的最高振蕩頻率(fmax).石墨烯射頻晶體管常采用雙指及多指柵結(jié)構(gòu)[42?44],如圖2所示.此外,柵極與源漏電極之間的間距也是影響射頻性能的一個重要因素.通過縮小柵極與源漏之間的間距,可以減小石墨烯溝道未被柵覆蓋區(qū)域的接入電阻(access resistance,RA),有效改善石墨烯晶體管直流特性,增大跨導gm,從而改善晶體管的本征截止頻率fT.同時,RA的減小在改善晶體管fmax上也發(fā)揮了重要作用[44].

圖2 典型的柵結(jié)構(gòu)示意圖 (a)六指柵結(jié)構(gòu)[43];(b)雙指柵結(jié)構(gòu)[44]Fig.2.Typical gate structure used in radio frequency graphene field effect transistor design:(a)Six- finger gate structure[43];(b)duel-gate structure[44].

3.3 T型柵結(jié)構(gòu)

T型柵結(jié)構(gòu)是超高速射頻晶體管設計時常用的一種結(jié)構(gòu),此結(jié)構(gòu)能夠增大柵極的橫截面積,從而在保證溝道長度盡可能小的同時減小柵極電阻,改善晶體管的射頻性能[42].典型的T型柵結(jié)構(gòu)如圖3(b)所示.

圖3 T型柵石墨烯場效應晶體管示意圖[32] (a)雙柵結(jié)構(gòu)石墨烯場效應晶體管掃描電子顯微鏡圖;(b)局部放大的T型柵結(jié)構(gòu)剖面聚焦離子束圖Fig.3.Images of T-gate graphene field effect transistor[32]:(a)Scanning electron microscope image of a typical dual-gate graphene field effect transistor;(b)cross-section focused ion beam image of the T-gate.

通常情況下,將T型柵結(jié)構(gòu)與多指柵結(jié)構(gòu)結(jié)合起來,如圖3(a)所示,并且精心設計工藝流程,可以最大程度地改進石墨烯晶體管器件的射頻性能.

4 石墨烯射頻場效應晶體管的制造工藝

在制備石墨烯射頻場效應晶體管的過程中,石墨烯材料接觸光刻膠、經(jīng)過濕法和刻蝕工藝,都會對石墨烯產(chǎn)生表面沾污、造成缺陷損傷等影響,將極大地惡化單原子層石墨烯材料的電學性質(zhì).為了更好地保留石墨烯的本征性能,需要針對性地開發(fā)更適合石墨烯器件的工藝流程,提升石墨烯射頻晶體管及電路的性能.

4.1 器件工藝流程的改進

4.1.1 自對準工藝的改進

2014年,河北半導體研究所Feng等[45]針對頂柵石墨烯晶體管,改進了柵電極自對準工藝.制備柵電極前,在石墨烯上沉積一層金屬金作為保護層,此金屬層同時也形成了源漏電極.金屬保護層能夠使得石墨烯有效避免后續(xù)工藝帶來的沾污,從而改善晶體管的射頻特性.工藝流程如下:首先,在SiC(0001)襯底上外延生長好單層石墨烯樣品后,沉積20 nm的金屬金;隨后,使用三層膠工藝光刻出T型柵結(jié)構(gòu),并且使用濕法工藝刻蝕掉T型柵結(jié)構(gòu)下的金屬金;接下來,沉積2 nm的金屬鋁并使其自然氧化,得到Al2O3介質(zhì)層;在介質(zhì)層上沉積180 nm鋁形成T型柵;最后,經(jīng)過剝離,形成石墨烯場效應晶體管.未被刻蝕的Au形成晶體管的源漏電極.使用此工藝制備的石墨烯場效應晶體管展示出良好的柵極耦合及較小的寄生效應,獲得了良好的器件直流及射頻性能.對于柵長100 nm的石墨烯晶體管,測得fT達到93 GHz,fmax達到了105 GHz.

2015年,西安電子科技大學Wu等[46]用物理氣相沉積(physical vapor deposition,PVD)的方法在石墨烯上沉積SiO2作為柵介質(zhì)層,同時也作為自對準柵極、源漏接觸的掩膜.隨后使用熱蒸發(fā)工藝沉積Ti/Au(20 nm/20 nm)作為柵極及源漏電極.為了對柵、源、漏進行更好的隔離,在柵介質(zhì)層側(cè)面再次使用PVD工藝沉積SiO2,之后再沉積金,增加電極的厚度.此工藝流程能夠有效減小柵極與源漏之間由于重疊引起的寄生電容以及RA的影響.對于柵長1μm的晶體管,測得fT為0.32 GHz.

4.1.2 埋柵結(jié)構(gòu)與倒置工藝

2011年,IBM的Han等[47]提出了石墨烯晶體管的埋柵結(jié)構(gòu),此結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的集成電路工藝順序一致,先制備有源器件,后制備引線及無源元件.這就使得無源元件制備過程中可能引入對石墨烯的沾污,影響器件性能.

2014年,清華大學與IBM的Han等幾乎同時提出了石墨烯倒置工藝流程[48?50].該流程先制備無源元件與互連線,隨后制備出埋柵結(jié)構(gòu),之后再轉(zhuǎn)移石墨烯,形成晶體管結(jié)構(gòu).工藝示意圖如圖4所示.此方法與CMOS工藝能很好地兼容,能夠?qū)崿F(xiàn)石墨烯與CMOS電路的集成,并且能夠有效避免復雜的工藝流程對石墨烯的沾污及性能的影響.清華大學先在通用8寸CMOS生產(chǎn)線完成了石墨烯射頻器件柵、源、漏電極和電路中無源元件、互連線的制備,再自主完成石墨烯材料的相關(guān)工藝,制成的200 nm柵長石墨烯晶體管的fT和fmax分別達到35.4 GHz和50 GHz,與同技術(shù)節(jié)點下硅基晶體管性能相近[50].

圖4 倒置工藝的工藝流程圖[50] (a)準備高阻的硅襯底;(b)使用α-Si硬掩模定義柵極;(c)刻蝕出柵極區(qū)域;(d)定義并刻蝕出源漏區(qū)域的底電極;(e)沉積金屬W并且進行化學機械拋光;(f)沉積柵介質(zhì)層HfO2;(g)轉(zhuǎn)移石墨烯;(h)制備源漏的頂電極Fig.4.Process flow of a graphene IC integration with the “inverted process”[50]:(a)High-res Si substrate;(b)de fi nition of the gate on hard mask sacri fi cing layer;(c)etching of the gate;(d)de fi nition and etching of the source/drain region bottom contacts;(e)W deposition and chemically mechanical polishing;(f)deposition of HfO2gate dielectric;(g)graphene transfer;(h)patterning source/drain top contacts by lift-o ff process.

4.2 石墨烯材料質(zhì)量的改進

石墨烯晶體管中,溝道材料的質(zhì)量、襯底材料都是影響石墨烯射頻晶體管及電路性能的重要因素.因此,石墨烯材料本身的工藝進步對石墨烯射頻晶體管性能的提升起到關(guān)鍵作用.

4.2.1 絕緣襯底上外延石墨烯

直接在絕緣襯底上外延石墨烯可以避免轉(zhuǎn)移過程對石墨烯引入沾污.通過對生長溫度、碳源濃度的精確控制,可以使得石墨烯表面起伏更小,一致性更好,從而改善石墨烯晶體管的性能.2014年,河北半導體研究所的Feng等[51]在2 in(1 in=2.54 cm)藍寶石襯底上外延石墨烯,并制備了射頻晶體管.測試結(jié)果表明,柵長100 nm的石墨烯晶體管fT為32 GHz,fmax為21.5 GHz.

4.2.2 單晶石墨烯材料

使用金屬作為襯底的CVD石墨烯多為多晶材料,多晶材料的晶界處存在載流子的散射,從而影響石墨烯載流子遷移率等.2014年,北京大學Fu等[52]使用毫米尺度的石墨烯單晶材料制備了石墨烯射頻晶體管陣列,對同一塊單晶石墨烯材料上不同位置處拉曼光譜峰位進行對比,得到較好的一致性.實驗測得50 nm柵長單晶石墨烯晶體管的fT達到178 GHz,柵長600 nm的晶體管fmax達到33 GHz.

4.2.3 雙層石墨烯材料

2014年,河北半導體研究所的Feng等[53,54]使用雙層石墨烯材料制備了射頻場效應晶體管,并研究了其與單層石墨烯射頻場效應晶體管性能的差異.單層及雙層石墨烯材料是在4H-SiC襯底上外延得到的,采用自對準工藝制備出晶體管器件.測試結(jié)果表明,雙層石墨烯晶體管具有更大的電流密度、更大的跨導gm、以及更小的方阻Ron,并且能夠?qū)崿F(xiàn)電流的飽和,如圖5所示.由于晶體管的fT與gm直接相關(guān),如(1)式所示:

式中,gm為跨導,Cgs與Cgd為柵電容,故雙層石墨烯晶體管的fT要明顯高于單層石墨烯晶體管.晶體管的fmax與gm和多個外在寄生參數(shù)有關(guān),如下式所示:

式中,gds為輸出電導,Ri為柵極覆蓋處的溝道電阻,Rs為源極電阻,RG為柵極電阻.

雙層石墨烯晶體管的fmax也比單層石墨烯晶體管高.實驗結(jié)果表明,對于柵長100 nm的器件,單層石墨烯晶體管的fT為40.3 GHz,雙層石墨烯晶體管的fT則達到124.5 GHz;至于fmax,單層石墨烯晶體管為17.1 GHz,雙層石墨烯晶體管達到49.8 GHz.

圖5 單層和雙層石墨烯場效應晶體管的直流特性比較[54] (a)單層、(b)雙層石墨烯場效應晶體管的輸出特性曲線;(c)層、(d)雙層石墨烯場效應晶體管的轉(zhuǎn)移特性曲線;Lg=100 nm,Wg=4μmFig.5.DC characteristics of monolayer and bilayer graphene field effect transistors[54]:(a)Monolayer and(b)bilayer graphene field effect transistor output characteristics;(c)monolayer and(d)bilayer graphene field effect transistor transfer curves.Lg=100 nm,Wg=4μm.

4.2.4 石墨烯轉(zhuǎn)移工藝

目前,大多數(shù)制作晶體管的石墨烯材料都是在金屬襯底上用CVD工藝制作的,因此,一定時期內(nèi),轉(zhuǎn)移工藝仍然是制作石墨烯晶體管難以避免的步驟.常用的石墨烯轉(zhuǎn)移方法是使用PMMA或者其他有機高分子聚合物作為支撐材料,但是存在的問題是這些聚合物很難完全去除干凈,從而影響制備器件的性能.為了消除聚合物的影響,使用金屬作為轉(zhuǎn)移支撐層與熱解保護層是一種有效的改進方式[55].2016年,南京電子技術(shù)研究所的Wu等[32]使用金屬金作為支撐層,用于石墨烯的轉(zhuǎn)移,避免了聚合物對石墨烯的沾污.除了支撐作用,金屬金還能避免石墨烯在后續(xù)光刻過程中被光刻膠污染,同時,也形成了晶體管的源漏接觸電極.這種轉(zhuǎn)移方法,配合改進的自對準工藝及T型柵結(jié)構(gòu)的使用,減小了工藝流程對石墨烯性能的影響,也減小了晶體管RG及寄生電阻,故而得到迄今為止文獻報道的最大fmax值:200 GHz.

4.3 接觸電阻的改善

在石墨烯場效應晶體管中,石墨烯與源漏電極金屬之間的接觸電阻是影響晶體管射頻特性的一個重要因素.若接觸電阻較大,則漏電流會較小,從而導致跨導較小,根據(jù)(1)和(2)式可知,晶體管的fT與fmax會隨之減小[56].

二維半導體材料與三維金屬材料的接觸主要有兩種形式:面接觸與邊緣接觸(edge contact).理論分析及實驗結(jié)果表明,邊緣接觸比面接觸的接觸電阻更小,但是完全的邊緣接觸很難實現(xiàn),通常的接觸形式是二者的結(jié)合[57].實現(xiàn)邊緣接觸是降低接觸電阻的一個有效方法[58?60].此外,如果石墨烯在轉(zhuǎn)移及光刻過程中有殘膠留在表面,形成沾污,也會影響接觸電阻.為了減小石墨烯表面的沾污,常用的手段是使用等離子體、氧化性氣體以及熱退火清理石墨烯表面[61?64].2013年,北京大學Li等[65,66]使用紫外臭氧處理石墨烯表面,使得接觸電阻降低至200 ?·μm,并且有較好的可重復性與可靠性.隨后,北京大學Peng等[67]及清華大學[50]都曾采用此方法對石墨烯表面進行處理,改善了石墨烯射頻晶體管的射頻特性.

4.4 石墨烯射頻場效應晶體管的性能

在過去的幾年里,石墨烯晶體管的射頻性能被不斷地提升.自2010年以來,加州大學洛杉磯分校的Cheng等[68]、Liao等[69]、以及IBM的Wu等[55]均實現(xiàn)了fT超過300 GHz的石墨烯晶體管.但是,這些晶體管的fmax仍然低于fT,而fmax表征了晶體管的功率放大能力,是晶體管最關(guān)鍵的參數(shù)之一.

2014年,河北半導體研究所的Feng等[45]使用改進的T型柵自對準工藝制備出的晶體管,在柵長為100 nm時fT達到97 GHz,fmax則超過100 GHz.2016年,南京電子技術(shù)研究所的Wu等[32]在T型柵自對準工藝基礎(chǔ)上,改進了石墨烯的轉(zhuǎn)移方法,得到200 GHz的fmax,這是迄今為止石墨烯晶體管fmax的最高值.同年,清華大學采用與硅CMOS工藝兼容的“倒置工藝”流程得到的200 nm柵長晶體管,其fT和fmax分別達到了35.4 GHz和50 GHz,與同技術(shù)節(jié)點下硅基射頻晶體管性能相近[50].

圖6匯總了近幾年石墨烯射頻場效應晶體管所達到的射頻性能[32,42,43,45,50?55,68?78].總體上,石墨烯晶體管的截止頻率fT與柵長基本符合1/L率關(guān)系,這說明載流子的傳輸是在接觸限制的區(qū)域,源漏接觸電阻在調(diào)控溝道的電場中起主要作用,而柵長的影響很小;這與柵長較長時溝道電阻起主要作用的1/L2率有一定區(qū)別[78].石墨烯晶體管的最高振蕩頻率fmax與柵長之間有更復雜的關(guān)系,它與fT,RG,gds等多個參數(shù)都有關(guān)系[55].最高振蕩頻率fmax代表了晶體管的功率放大能力,但由于石墨烯沒有禁帶,嚴重影響了fmax的值.圖6(c)展示了文獻報道的石墨烯晶體管fmax與fT的相對關(guān)系,虛線為fT與fmax相等的示意線.由圖6(c)可以看出,目前多數(shù)文獻報道的石墨烯晶體管的fmax仍然小于fT,與硅材料制備的射頻晶體管性能還有一些差距.使用雙層石墨烯、打開石墨烯禁帶、進一步改進器件結(jié)構(gòu)和工藝、提高石墨烯材料質(zhì)量,是進一步提升石墨烯晶體管射頻特性的方向.

圖6 石墨烯射頻場效應晶體管性能總結(jié)[32,42,43,45,50?55,68?78](a)fT與柵長的關(guān)系;(b)fmax與柵長的關(guān)系;(c)fmax與fT的關(guān)系Fig.6.Summary of graphene radio frequency field effect transistors[32,42,43,45,50?55,68?78]:(a)fT versus gate length;(b)fmaxversus gate length;(c)fmaxversus fT.

5 石墨烯場效應晶體管射頻電路

基于石墨烯場效應晶體管制作多種類型的射頻電路,可以驗證石墨烯晶體管的射頻特性并探索其在射頻領(lǐng)域的應用前景.同時,石墨烯晶體管具有雙極型特性等有別于硅基晶體管的特點,使得一些石墨烯晶體管射頻電路具有獨特的工作原理和結(jié)構(gòu).

5.1 倍頻器

倍頻器是一個輸出頻率為輸入頻率整數(shù)倍的電路,廣泛應用于通信、調(diào)頻設備、太赫茲成像等領(lǐng)域中.2009年,IBM的Wang等[79]利用石墨烯晶體管獨特的“V”形轉(zhuǎn)移特性,設計制作了結(jié)構(gòu)十分簡單的石墨烯晶體管倍頻器.該電路利用柵極直流電壓將石墨烯晶體管偏置在轉(zhuǎn)移曲線中電導最小的點,即石墨烯的狄拉克點,并且在柵極疊加頻率為f0的正弦信號,則會在晶體管漏極得到頻率為2f0的信號.該石墨烯倍頻器可以實現(xiàn)輸入10 kHz、輸出20 kHz的倍頻功能,輸出頻譜的純度達到94%.

2014年,清華大學使用倒置工藝制備出石墨烯倍頻器集成電路,包含一個石墨烯射頻場效應晶體管和一個片上電感[49],片上電感實現(xiàn)了帶通濾波的功能[47],過濾掉其他倍頻、射頻及漏端偏置等信號.此電路實現(xiàn)了4 GHz的3 dB帶寬,并且在輸入信號為3 GHz時,轉(zhuǎn)換增益達到?26 dB.

2015年,北京大學Peng等[67]在聚萘二甲酸乙二醇酯(polyethylene naphthalate,PEN)襯底上制備出電子、空穴遷移率均超過10000 cm2·V?1·s?1的柔性晶體管,并以此為基礎(chǔ)制備出石墨烯倍頻器.電路的輸入頻率為10 kHz時,倍頻器的轉(zhuǎn)換增益達到?13.6 dB,頻譜純凈度達到96.6%.將輸入頻率提高至10 MHz時,倍頻器仍能正常工作,轉(zhuǎn)換增益為?17.7 dB,頻譜純凈度為97.7%.

5.2 混頻器

混頻器輸出信號的頻率為輸入信號頻率的差、和、或為兩者的組合.2010年,Wang等[80]利用石墨烯的雙極輸運特性制備出新型的混頻器電路.利用石墨烯對稱的雙極輸運特性,混頻器可以有效地消除偶次交調(diào)的影響.通過柵電壓將晶體管偏置在電導最小點的附近,并且引入10.5 MHz的射頻(RF)輸入信號及10 MHz的本振(LO)信號,得到電路的轉(zhuǎn)換損耗為35—40 dB.使用雙音法(twotone test)測得輸入三階交調(diào)點(input third-order intermodulation intercept,IIP3)為13.8 dBm.

2015年,清華大學選用交叉耦合的雙平衡電路結(jié)構(gòu)設計了石墨烯晶體管混頻器,此結(jié)構(gòu)具有抑制RF信號、LO信號穿通,消除偶次交調(diào)等優(yōu)點.電路的制備使用了倒置工藝,電路芯片上集成了4個石墨烯晶體管、4個片上電感以及4個金屬-絕緣體-金屬電容.圖7為石墨烯雙平衡阻性混頻器電路的結(jié)構(gòu)示意圖及測試實物照片[81].當此電路的本振頻率為3.5 GHz、射頻信號為3.6 GHz時,得到下變頻信號(100 MHz處)的轉(zhuǎn)換損耗為33 dB,使用雙音法測得的IIP3為21 dBm.通過與單個石墨烯晶體管制備的阻性混頻器對比可知,雙平衡結(jié)構(gòu)可以有效地改善混頻器的線性度.此外,即使混頻器中的4個晶體管轉(zhuǎn)移特性的不完全一致,此電路仍能保持較好的混頻性能.

圖7 石墨烯雙平衡混頻器[81] (a)結(jié)構(gòu)示意圖;(b)焊接在PCB版上的混頻器實物圖Fig.7.Double-balanced mixer diagram[81]:(a)Schematic of the double-balanced mixer;(b)fabricated doublebalanced mixer on PCB.

5.3 射頻放大器

射頻放大器是射頻電路中的一類重要單元.由于石墨烯沒有禁帶,無法實現(xiàn)輸出的飽和特性,限制了其在放大器方面的應用.盡管如此,如果使用雙層石墨烯[82,83]等方式打開石墨烯材料的禁帶,改善襯底材料使載流子達到速度飽和[84?86],還是可以在石墨烯晶體管的輸出特性曲線中觀察到飽和特性,從而用于構(gòu)建射頻放大器.

2015年,清華大學提出了石墨烯分布式放大器的結(jié)構(gòu)[41].分布式放大器的增益為每節(jié)晶體管增益的疊加[87],從而可以在一定程度上解決目前石墨烯場效應晶體管放大性能不足的缺點.仿真結(jié)果表明,四節(jié)石墨烯分布式放大器可以實現(xiàn)3.5 GHz的帶寬以及最高4 dB的增益.

2016年,河北半導體研究所的Feng等[88]使用SiC(0001)襯底上外延生長的雙層石墨烯,設計并制備出石墨烯放大器微波單片集成電路(monolithic microwave integrated circuit,MMIC).此石墨烯放大器電路在14.3 GHz處實現(xiàn)了3.4 dB的小信號功率增益,最小噪聲系數(shù)為6.2 dB.這是第一次實現(xiàn)石墨烯放大器MMIC,為石墨烯在射頻領(lǐng)域的應用打下了基礎(chǔ).

6 總結(jié)與展望

本文從石墨烯材料的制備、射頻晶體管結(jié)構(gòu)設計、工藝設計、射頻電路設計與測試等多個方面,介紹了國內(nèi)外石墨烯晶體管在射頻領(lǐng)域的成果與發(fā)展.在石墨烯晶體管器件方面,最高的fmax已經(jīng)提升至200 GHz.通過進一步優(yōu)化器件的結(jié)構(gòu)與工藝,如改善接觸電阻、接入電阻影響等,可以更進一步展示出石墨烯在射頻領(lǐng)域的優(yōu)勢.此外,如果進一步減小柵電極長度,制備出特征尺寸小于10 nm的晶體管,可能同時解決石墨烯禁帶為零的問題,增強石墨烯晶體管在射頻領(lǐng)域的應用潛力,也為解決硅基材料10 nm下的短溝道效應問題提供了一種方案.在射頻電路應用方面,石墨烯基的倍頻器、混頻器及放大器等射頻電路的基本結(jié)構(gòu)已經(jīng)實現(xiàn),但是集成度、性能等仍與商業(yè)化的硅、III-IV族電路有一些差距,這些差距主要來源于目前石墨烯晶體管射頻性能的限制.但是,基于石墨烯晶體管獨特的電學特性,一些石墨烯射頻電路與傳統(tǒng)射頻電路相比仍然具有結(jié)構(gòu)簡單、性能優(yōu)異等優(yōu)點.

隨著石墨烯制備技術(shù)以及相關(guān)的集成工藝技術(shù)的快速發(fā)展,石墨烯晶體管在射頻領(lǐng)域應用的潛力和可行性將進一步增大.

首先在材料方面,開發(fā)制備出低成本、大面積高質(zhì)量的石墨烯材料的方法是將其應用在電路中的基礎(chǔ).北京大學Liu等[89]在預處理過的單晶銅襯底上制備出尺寸為(5×50)cm2的石墨烯單晶,溫度為4 K時遷移率達到23000 cm2/(V·s),這為石墨烯在半導體工業(yè)領(lǐng)域的應用提供了一種可行性.但是在金屬襯底上生長的石墨烯材料無法直接使用,需要通過轉(zhuǎn)移技術(shù)將其轉(zhuǎn)移到合適的襯底上.轉(zhuǎn)移工藝現(xiàn)階段仍存在未完全解決的問題:一是會引入隨機的沾污以及應力的分布,從而影響石墨烯的性能;二是如何將轉(zhuǎn)移大面積石墨烯材料的工藝工業(yè)化,實驗室常用方法對轉(zhuǎn)移面積、成本、效率等要求不高,不適合工業(yè)化生產(chǎn),而大面積卷對卷工藝雖然可以進行量產(chǎn),但是僅限于柔性襯底的應用場景,無法與硅基半導體工藝很好地兼容.如何解決這些問題是未來值得研究的方向.可替代的一個思路是設法將石墨烯直接在目標襯底上合成,如在SiC,hBN等襯底上制備以及使用硅插層等技術(shù),避免轉(zhuǎn)移工藝對石墨烯質(zhì)量造成影響.但是這些方法也有待進一步改進:SiC上外延成本較高,并且不同SiC晶面上外延的石墨烯質(zhì)量與CVD法生長石墨烯質(zhì)量有一定差距,如(0001)面上外延時石墨烯與襯底間存在緩沖層,極大地影響了石墨烯電學特性,而其他晶面上制備的石墨烯材料存在較多的晶格缺陷[90];hBN襯底上直接生長的石墨烯晶籌較小[91],目前還無法滿足工業(yè)應用的需求;硅插層石墨烯技術(shù)主要實現(xiàn)了插入Si原子層[92],如何實現(xiàn)插入高質(zhì)量SiO2等介質(zhì)層是實現(xiàn)石墨烯與硅基半導體融合需要努力的研究方向.

其次在工藝方面,減小載流子散射的襯底材料選擇、高質(zhì)量介質(zhì)層的生長、更小的接觸電阻設計等都是可以提升石墨烯射頻器件性能的重要因素.以接觸電阻為例,常用的改善接觸電阻的方式有改變接觸使用的金屬從而增加石墨烯態(tài)密度,采用邊緣接觸以及對石墨烯表面進行等離子體處理等,得到的最低接觸電阻約為100 ?·μm[93],這與硅基晶體管的接觸電阻相比還有一定差距.Park等[94]首先對石墨烯進行摻雜處理,再配合精心設計的邊緣接觸,得到了低至23 ?·μm的接觸電阻,可以滿足硅基晶體管接觸電阻的要求.此方法得到的場效應遷移率最高為4267 cm2/(V·s),仍有改進的空間,并且制備過程需要使用電子束曝光形成邊緣接觸,增加了工藝的復雜度及成本.接下來的一個研究方向是進一步優(yōu)化,并且將這些改進接觸電阻的設計應用在石墨烯射頻器件的制造過程,從而進一步改善其射頻特性.此外,工藝上,如何保證同一批器件以及不同批次器件性能的均一性也是增大石墨烯射頻器件應用的可行性需要解決的問題.

電路設計方面,除了以上提到的倍頻器、混頻器外,Cheng等[95]通過單層/雙層石墨烯溝道結(jié)構(gòu)得到有兩個狄拉克點的“W”型轉(zhuǎn)移特性曲線,從而直接構(gòu)造出三倍頻器,得到的頻譜純凈度高于其他三倍頻器;Han等[48]使用三級石墨烯晶體管實現(xiàn)了含有信號放大、濾波及下變頻功能的射頻接收電路模塊.這些電路模塊功能的實現(xiàn)利用了石墨烯不同于硅基晶體管的特性,簡化了電路,優(yōu)化了性能.如何利用石墨烯獨特的電學特性,如雙極特性等,設計出更多結(jié)構(gòu)簡單、性能優(yōu)異的電路結(jié)構(gòu),也是發(fā)揮石墨烯在射頻領(lǐng)域優(yōu)勢的一個重要研究方向.

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PACS:85.30.Tv,73.50.–h,73.22.–f,73.40.Cg DOI:10.7498/aps.66.218502

*Project supported by the National Basic Research Program of China(Grant No.2013CBA01604),the National Natural Science Foundation of China(Grant Nos.61377106,61474072),and the Natural Science Foundation of Beijing,China(Grant No.4162031).

?Corresponding author.E-mail:qianh@mail.tsinghua.edu.cn

Research progress of graphene radio frequency devices?

Lu Qi1)Lyu Hong-Ming2)Wu Xiao-Ming1)Wu Hua-Qiang1)3)Qian He1)3)?

1)(Institute of Microelectronics,Tsinghua University,Beijing 100084,China)
2)(Rice University,Houston,TX 77005,USA)
3)(Tsinghua National Laboratory for Information Science and Technology,Tsinghua University,Beijing 100084,China)

d 4 July 2017;revised manuscript

4 August 2017)

Graphene,the first realized two-dimensional material,has received much attention in electronic applications in recent years.With ultra-high carrier mobility and one atom thick structure,graphene becomes a promising semiconductor candidate for solving the problem of short channel effect in nanoscale metal-oxide-semiconductor field-effect transistor(MOSFET),and exploring its applications in radio frequency devices.How to develop the advantages of graphene transistor in radio frequency is an attractive research area.The first step is to obtain high quality graphene material.In this article we summarize the graphene growth methods commonly used in electronic field,including chemical vapor deposition on metal substrates and epitaxial method on wide bandgap semiconductor and insulator substrates.Another key factor to improve graphene transistor performance is to carefully design the device structure and process flow.Multi- finger gate and T-shaped gate are widely used in MOSFET.These two structures can signifi cantly reduce gate resistance,and result in a better radio frequency performance. “Inverted process”is introduced for graphene FET fabrication,which is compatible with silicon-based back-end-of-line technology.It can reduce the damages to graphene during fabrication.Another improved self-aligned gate deposition process can lead to a good gate coupling and less parasitic parameters.These newly developed process play a prominent part in increasing the cut-o fffrequency and maximum oscillation frequency of graphene radio frequency devices.In addition,single crystal graphene is helpful in eliminating carriers scattering and improving the radio frequency properties of graphene transistor.So far,the highest cut-o fffrequency of graphene transistor reaches over 300 GHz by a few groups,but the maximum oscillation frequency remains low.Record-high maximum oscillation frequency is 200 GHz when gate length is 60 nm.Further improvement of maximum oscillation frequency needs to be tried out.Several graphene radio frequency circuits are also discussed in the paper.Some of the circuits have similar structures to silicon-based circuits,and others are designed based on the unique property of graphene transistor,like ambipolar transport properties.The new concept circuits have simpler structures than conventional circuits.With the rapid development of graphene growth and related integrating technology,the potential to use graphene in radio frequency field will be further increased.

graphene, field effect transistors,radiofrequency,cut-o fffrequency

石墨烯因具有優(yōu)良的電學特性,在半導體行業(yè)中受到廣泛關(guān)注,特別因其具有超薄的結(jié)構(gòu)和極高的載流子遷移率,為解決短溝道效應提供了可能,并且在高速電子領(lǐng)域具有應用前景.近年來,使用石墨烯作為溝道材料制備射頻晶體管及射頻電路是發(fā)揮石墨烯材料優(yōu)勢的一個重要研究方向.制造高性能的射頻器件,首先要制備出高性能的石墨烯材料.在金屬襯底上沉積均勻的單層石墨烯材料或者在絕緣襯底上外延生長單層、雙層石墨烯材料都是獲得高質(zhì)量石墨烯材料的常用方法.器件結(jié)構(gòu)及工藝流程的設計也是提升晶體管射頻性能的重要因素,多指柵結(jié)構(gòu)、T型柵結(jié)構(gòu)、埋柵結(jié)構(gòu)以及自對準工藝的發(fā)展能夠有效改善石墨烯射頻晶體管的截止頻率及最大振蕩頻率.石墨烯晶體管獨特的電學特性使得其除了可以構(gòu)造與其他半導體材料電路相似的射頻電路結(jié)構(gòu),還可以構(gòu)造出功能完整并且結(jié)構(gòu)更加簡單的新型射頻電路結(jié)構(gòu).

10.7498/aps.66.218502

?國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃(批準號:2013CBA01604)、國家自然科學基金(批準號:61377106,61474072)和北京市自然科學基金(批準號:4162031)資助的課題.

?通信作者.E-mail:qianh@mail.tsinghua.edu.cn

?2017中國物理學會Chinese Physical Society