石墨烯的性质及其发展

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目录一、概述2（一）基本概念与内涵2（二）军事需求分析10二、国内外研究概况、水平和发展趋势22（一）国外研究现状及发展趋势22（二）国内研究发展情况29（三）国内外对比分析31三、项目研究总目标32（一）本项目总体目标32（二）关键科学问题32四、重点研究课题和主要内容33（一）研究课题及主要内容33（二）经费预测46（三）风险分析47五、与相关计划的关系50六、应用前景分析51七、政策措施51八、项目论证组成员5255 一、概述（一）基本概念与内涵石墨烯概念石墨烯是由单层sp2杂化碳原子组成的六方点阵蜂窝状二维结构，包含两个等价的子晶格A和B。它的单层厚度为0.35nm，C-C键长为0.142nm，其独特的稳定结构使之具有不同于其它材料的优良性能。石墨烯是一种零带隙半导体材料，超高的载流子迁移率，是商用Si材料迁移率的140倍，达到200000cm2/V×s，高于目前已知的任何半导体材料。在典型的100nm通道晶体管中，载流子在源和漏之间传输只需要0.1ps，因此可应用于超高频器件，为提供一种扩展HEMT频率到THz成为可能。在石墨烯上，整流栅电极可以相隔几纳米放置，这样沟道更短而且传输更快。导热性能优良，热导率是金刚石的3倍，达到5000W/m×K；超大的比表面积，达到2630m2/g；此外，它非常坚硬，强度是钢的100多倍，达到130GPa。研究人员甚至将石墨烯看作是硅的替代品，能用来生产未来的超级计算机。材料热导率(W/cmK)电子迁移率(cm2/Vs)饱和电子漂移速度(×107cm/s)Si1.512001.0InP0.684600SiC4.96002.0GaN1.515002.7Graphene5020000010有关专家认为，石墨烯很可能首先应用于高频领域，是超高功率元器件的潜质材料。石墨烯特殊的结构，使其具有完美的量子隧道效应、半整数的量子霍尔效应、从不消失的电导率等一系列性质，引起了科学界巨大兴趣，掀起了一股研究的热潮。安德烈·海姆和康斯坦丁·55 诺沃肖洛夫因其在石墨烯二维材料方面的原创性杰出工作被授予2010年诺贝尔物理学奖。石墨烯和主要半导体材料的迁移率尽管长期以来物理学界普遍认为严格的2D晶体在自由状态下不可能存在（热扰动使原子在第三个维度上的涨落大于晶格常量，2D晶体熔化），但是关于Graphene的理论工作一直在进行。早在1947年P.R.Wallace通过理论计算给出了Graphene的能带结构，并以此为基础构建石墨(graphite)，获得了关于晶格中电子动力学信息，预言了Graphene中相对论现象的存在。虽然当时人们并不相信二维晶体的存在，但是Wallace的工作对于石墨的研究起了引导性的作用。石墨(graphite)作为一种半金属性(semimetal)材料，在布里渊区边界能带发生交叠，使电子能在层与层之间传输，当graphite的层数减少到仅有单层(Graphene)时，能带变为单点交叠的方式(如下图（a）所示)，而且由电子完全占据的价带和由空穴完全占据的导带对于这些交叠点(K和K′)完全对称。55 　(a)理论计算给出的Graphene的能带结构，在狄拉克点处，能带发生交叠;(b)低能量处(狄拉克点附近)的能带结构采用圆锥形近似，具有线性近似。单层Graphene中电子在高对称性的晶格中运动，受到对称晶格势的影响，有效质量变为零(即无质量粒子)。这种无质量粒子的运动由狄拉克方程而非传统的薛定谔方程描述。由狄拉克方程给出新的准粒子形式(狄拉克费密子)，能带的交叠点K和K′点也被称为狄拉克点。在低能处(K和K′点附近)，能带可以用锥形结构近似(见上图(b))，具有线性色散关系。在狄拉克点附近，准粒子哈密顿量形式为：其中σ为二维自旋泡利矩阵，k为准粒子动量，vF=106m/s为费米速度，近似为光速的1/300，该哈密顿量给出的色散关系为E=│hk│vF。值得注意的是Graphene中能量E与动量k间为线性关系，使得单层Graphene表现出许多不同于其他传统二维材料的特性。在狄拉克点处(K和K′等)，55 波函数属于两套不同的子晶格，需要用两套波函数描述，类似于描述量子力学中的自旋态(向上和向下)的波函数，因此称为赝自旋。由于准粒子采用“2+1”维低能狄拉克方程描述，模拟量子电动力学表述，在Graphene中引入手性。手性和赝自旋是Graphene中两个重要参量，正是由于手性和赝自旋的守恒，使Graphene出现了许多新奇的性质。对于双层Graphene，哈密顿量为：可以看出，此哈密顿量虽然不是严格的狄拉克形式，但是只有非对角项不为零，具有较特殊的形式，类似单层石墨中的哈密顿量形式，仍然给出的是一种准粒子。这种准粒子同样具有手性，但是有效质量不为0，m≈0.05m0(m0为电子质量)。双层Graphene的结构和低能量处的能带如下图(a)所示，双层Graphene不再具有线性色散关系，而是近似抛物线状能带结构，如下图(b)所示。　(a)双层Graphene结构示意图与低能量处的能带图;(b)理论计算能带图，导带(价带)中能量较高(较低)的子能带未画出。在低能量处，色散关系不再满足线性关系，而是抛物线形式。石墨烯作为理想的二维材料，说它是所有石墨碳元素结构形态的基础也不为过，它可以包裹起来形成零维的富勒烯，卷起来形成一维的碳纳米管，也可层层堆积形成三维的石墨，石墨烯的能带结构在理论上已经被研究了几十年，它可以认为是一种零禁带半导体材料，能带交叠为一点，而且由电子完全占据的价带和由空穴完全占据的导带关于这些交叠点(K和K′)完全对称。在K和K′55 点附近，石墨烯中的电子由于受到周围对称晶格势场的影响，电子的有效质量变为0，传统的描述电子运动的薛定谔方程被狄拉克(Dirac)方程所取代，因此K和K′点也被称为狄拉克点。在狄拉克点处，需要用两套波函数来描述两套的子晶格，类似于描述量子力学中的自旋的波函数，因此称为赝自旋。在狄拉克点附近，能量与波矢成线性的色散关系E=│hk│vF，费米速度是光速的1/300，呈现相对论的特性，因此石墨烯为我们研究量子电动力学现象提供了最直接的实验平台。模拟量子电动力学表述，可以在石墨烯中引入手性。手性和赝自旋是石墨烯的两个重要参量，正是由于手性和赝自旋导致的简并，使石墨烯出现了许多新奇的性质。石墨烯作为一种半金属材料，内部载流子浓度高达1013cm-2。实验表明，石墨烯的迁移率几乎与温度无关，即使在室温下迁移率也主要受杂质或缺陷的影响，所以可以通过提高晶体质量来提高载流子的迁移率。最近，理论和实验均已证实石墨烯具有双极场效应，通过门电压的调制，它的载流子可以在电子和空穴间连续地过渡，使其显现出n型、p型特性。由于石墨烯特殊的晶体结构和能带结构，通过控制其几何构型及边缘的手性可以使其呈现金属或半导体特性。石墨烯在室温条件下也可以观察到它的量子霍尔效应，这与通常的半导体、金属材料完全不同。不过，石墨烯的电子输运不符合薛定谔方程的描述，而符合狄拉克相对论方程，所以其量子霍尔效应异于传统的二维电子气体：单层石墨烯的量子霍尔效应的量子序数相对于标准的量子霍尔效应的量子序数移动了1/2，而双层石墨烯的量子霍尔效应相对于标准的量子霍尔效应丢失了量子序数为0的第一个平台。在凝聚态物理领域，材料的电学性能常用薛定谔方程描述。而石墨烯的电子与蜂窝状晶体周期势的相互作用产生了一种准粒子，A.Qaiumzadeht等根据GW近似值计算了石墨烯在无序状态下在朗道费米子液体内的准粒子特性，即零质量的狄拉克-费米子（masslessDiracFermions)，具有类似于光子的特性，在低能区域适合于采用含有有效光速(vF=106m/s)的(2+1)维狄拉克方程来精确描述。因此，石墨烯的出现为相对论量子力学现象的研究提供了一种重要的手段。在石墨烯的电学性能研究中发现了多种新奇的物理现象，包括两种新型的量子霍尔效应（整数量子霍尔效应和分数量子霍尔效应），零载流子浓度极限下的最小量子电导率，量子干涉效应的强烈抑制及石墨烯p-n结界面的电流汇聚特性等，石墨烯表现出异常的整数量子霍尔行为，其霍尔电导=2e2/h，6e2/h，l0e2/h…55 为量子电导的奇数倍，且可以在室温下观测到。这个行为已被科学家解释为“电子在石墨烯里遵守相对论量子力学，没有静质量(masslesselectron)”。2007年，先后3篇文章声称在石墨烯的p-n或p-n-p结中观察到了分数量子霍尔行为。理论物理学家已经解释了这一现象。石墨烯的合成方法主要有微机械分离法、取向附生法、化学分散法、加热SiC法等。最普通的是微机械分离法，直接将石墨烯薄片从较大的晶体上剪裁下来。2004年，K.S.Novoselov，A.K.Geim等人通过使用简单的胶带解理体石墨，轻松地获得了单层自由状态的Graphene。Novoselov等利用胶带将石墨逐渐撕薄，在得到的小片石墨薄层的边缘出现单层、双层、三层等Graphene薄片，采用传统光刻工艺，可以将Graphene分离，得到自由状态的Graphene(见下图)。目前，在大部分有关Graphene的研究中，使用的样品是采用此类方法制备。Graphene薄膜(a)光学显微镜下观测到的大尺度的Graphene薄片；(b)在薄片边缘的AFM图像，2μm×2μm；(c)单层Graphene的AFM图像，深棕色为SiO2基底，棕红色为单层Graphene取向附生法是利用生长基质原子结构“种”出石墨烯，首先让碳原子在1150℃下渗入钌，然后冷却到850℃后，之前吸收的大量碳原子就会浮到钌表面，镜片形状的单层的碳原子“孤岛”布满了整个基质表面，最终它们可长成完整的一层石墨烯。采用这种方法生产的石墨烯厚度不均匀，且石墨烯和基质之间的黏合会影响碳层的特性。化学分散法是将氧化石墨与水以1mg/ml的比例混合，用超声波振荡至溶液清晰无颗粒状物质，加入适量肼在100℃回流24h，产生黑色颗粒状沉淀，过滤、烘干即得石墨烯。加热SiC法是通过加热单晶SiC衬底脱除Si，在表55 面上分解出石墨烯片层。具体过程是：将经氢气刻蚀处理得到的样品在高真空下或气氛下加热，表层硅原子升华，碳原子重构生成石墨烯。该法被人们认为是实现石墨烯在集成电路中应用的最有希望的途径之一。在SiC衬底表面上生长的石墨烯有很多优势。其中就衬底而言，SiC是宽禁带半导体，可以是很好的半绝缘衬底，SiC衬底热导率高，散热好。经过几十年的研究和发展，SiC已经被广泛应用于电子学、MEMS等领域。作为一个被人们广泛研究并应用的材料，人们对它已经有比较完善的了解，并发展了相关的半导体加工工艺，因此在SiC表面上生长的石墨烯可比较容易地实现半导体器件应用。与其他方法相比，在SiC衬底表面上生长的石墨烯在很多方面具有更高的质量，这种材料非常的平，其主要形貌由下面的SiC衬底的台阶决定。SiC衬底上生长的石墨烯可以在整个晶片上利用传统的光刻和微纳米加工技术进行器件或电路的刻蚀，可直接利用已有的SiC生产工艺实现大规模生产，因而在微纳电子器件和大规模集成逻辑电路领域有着重要的应用前景，SiC上生长的晶圆级石墨烯是目前为止最有希望取代晶体硅的材料。石墨烯由于以下四个方面的原因而引起人们的兴趣:(1)Graphene中无质量的相对论性准粒子(狄拉克费密子)由狄拉克方程描述，在凝聚态物理与量子电动力学之间架起一座桥梁；(2)两种新的量子霍尔效应、室温弹道输运、弱局域化、电声子相互作用等，为基础物理的研究提供模型；(3)其他石墨类材料(0维巴基球、1维碳纳米管、3维体石墨)的性质来源于2维的Graphene，因此Graphene的研究不仅可以对以上材料特性给出补充性的解释，反过来又可以借鉴以上材料研究结果来发展Graphene；(4)优异的电学、磁学等性质，使得Graphene将在纳米电子学、自旋电子学等领域得到广泛应用。基于石墨烯的场效应管概念场效应管(FET)是一种具有pn结的正向受控作用的有源器件，它是利用电场效应来控制输出电流的大小，其输入端pn一般工作于反偏状态或绝缘状态，输入电阻很高，栅极处于绝缘状态的场效应管，输入阻抗很大。目前广泛应用的是SiO2为绝缘层的绝缘栅场效应管，称为金属-氧化物-半导体场效应管，简称MOSFET。以功能类型划分，MOSFET分为增强型和耗尽型两种，其中耗尽型与增强型主要区别是在制造SiO255 绝缘层中有大量的正离子，使在P型衬底的界面上感应出较多的负电荷，即在两个N型区中间的P型硅内形成一层N型硅薄层而形成一个导电沟道，所以在VGS＝0时，有VDS作用时也有一定的ID(IDSS)；当VGS有电压时(可以是正电压或负电压)，改变感应的负电荷数量，从而改变ID的大小。VP为ID＝0时的-VGS，称为夹断电压。MOSFET的特点是用栅极电压来控制漏极电流。随着微电子集成化的需要越来越高，FET器件的尺寸也越来越小，而普通FET器件散热性受材料本身限制很难有进一步的提高，石墨烯由于其优良的热导率制作出的FET器件“完美”的解决该问题。自从场效应管发明以来，人们一直尝试将电场效应应用到金属材料上，制造金属基场效应管。利用金属制造晶体管不仅可以将尺度做小，而且可以降低功耗，并且使用频率高于传统半导体.但是由于金属屏蔽效应，电场在金属中的穿透深度小于1nm，因此制造金属晶体管时需要使用原子级厚度的金属薄膜。但是由于热动力学原因，当金属薄膜达到纳米级别时不能稳定存在。另外，对于金属而言，电场效应诱导的载流子浓度一般不会超过1013cm-2，比纳米尺度的金属薄膜中的本征载流子浓度低几个量级（近似可以忽略），通过电场效应很难实现调制载流子浓度，因此利用金属制造晶体管一直没有实现。半金属Graphene不仅具有高载流子浓度和载流子迁移率，亚微米尺度的弹道输运特性和电场调制载流子特性，而且可以在室温下稳定存在，为Graphene的实用化奠定了基础。利用Graphene制造的晶体管可以实现低功耗、高频率、小型化等特性。由于Graphene是半金属性材料（semi-metal），在狄拉克点处能带交叠，没有带隙，因此很难实现开关特性。为了使55 Graphene可以应用于晶体管的制造，通过各种方法在Graphene中形成带隙：（1）通过对称性破缺场或相互作用等使Graphene简并度降低，朗道能级发生劈裂，在导带与价带之间引入能隙。这方面工作目前主要集中在双层Graphene上，通过掺杂、外加电场以及基底作用诱导等方式引入对称破缺，实现人工调制能隙。（2）对于弱无序体系，被弱屏蔽的库仑相互作用可以改变带粒子图景，使Graphene出现能隙（量子霍尔铁磁）。（3）通过尺寸效应或量子受限（如Graphenenanoribbons）引入能隙。Barone等人通过密度泛函计算预言，对于手性纳米带，导带与价带间的带隙随着手性角的变化发生振荡。对于某些类型的Graphene纳米带，通过调节纳米带宽，也可以实现对带隙宽度的调节（能隙与纳米带宽之间存在反比关系）。本项目将结合我们的研究优势对石墨烯开展深入系统的特色研究，从理论模拟、材料制备、器件制作三个层面开展全面工作，力求对中国军事的发展起到积极的推动作用。本项目针对石墨烯这一新物质形态的关键问题及前沿发展动态，结合我们自身的工作基础，以大面积、高质量石墨烯材料的可控制备为主要突破口，以石墨烯基超高频器件MOSFET应用为导向，最终制备出具有一定功能的电路模块。强调理论、材料和器件之间的互相促进与合作，有针对性地对石墨烯的若干基本科学问题开展研究，例如：探索高质量石墨烯的可控、晶圆级制备方法；测量其电、光、热、力学等宏观特性和局域性能，研究结构与物性的关联；研制基于石墨烯的超高频MOSFET器件和功能电路等，力求对中国军事装备特别是下一代武器用超高频元器件的发展起到积极的推动作用。（二）军事需求分析从上世纪80年代初起，美国国防部尖端技术研究规划署(DARPA)、国家航空和宇航局(NASA)一直重点进行毫米波固态器件和电路的研究，已经取得了令人瞩目的成果，已应用于新型武器装备上，如下表所示。毫米波段武器应用举例型号种类主要用途55 SEATRACSII毫米波舰载火控雷达Mini-PEV小型无人驾驶飞机雷达Startle坦克火控雷达Wasp空地导弹主动/被动复合制导系统MILSATCOM军用卫星星间通讯对于硅器件，其工作频率最多达到GHz范围，而W波段或更高频率的MMIC所用的材料主要是InP-HBT、HEMT或者GaAs-MHEMT。其中国际上最新报道的InPMMIC低噪声放大器在W波段，噪声系数在2-5dB之间。但是，In资源正逐渐减少，同时InP单晶生长较难，易碎，且迁移率较难进一步提高，其器件性能已接近极限水平，人们一直在寻找迁移率和热导率更高的材料，晶片级石墨烯的出现有望解决这些难题。利用石墨烯超高速迁移率可以提高器件工作频率达到毫米波段，利用双层石墨烯的设计可有效避免豪格规则实现超低噪声特性，其意义不言而喻。目前，美国DARPA计划已将石墨烯研究方向定为毫米波低噪声放大器。为了与时俱进，支持未来的国防现代化建设，实现灵活移动、快速反应、安全隐蔽的军事、宇航通信，满足21世纪新的和平事业和世界局势发展需要，研制石墨烯超高频低噪声器件显得异常必要。 军事用途未来战争环境下，自动化、电子化、轻型化和信息化将成为军事发展的主要趋势。石墨烯由于其突出的物理和化学性能，将在军事方面大有作为，主要应用在军事航天、军事探测、极高频卫星通信系统等。在军事航天领域，军事航天技术是以军事应用为目的、开发和利用太空的一门综合性工程技术。迄今世界各国共发射了5700多个航天器，其中70%用于军事目的。太空也已经成为未来战争的战场，为了掌握太空战场的控制权，各国都在加紧发展军事航天技术，而微电子技术则是基础技术之一。美国“战略防御倡议”（即星球大战计划）中的空间监视系统采用了超高速集成电路和微波毫米波单片集成电路（MMIC）。从表面上看，微电子电路分布在庞大的系统中的各个地方，其实却起着举足轻重的作用。55 半导体微波毫米波器件的应用频段和目前的3mm波段的主流产品InP基材料器件和电路比较起来，SiC衬底的高硬度和高热导率保障了器件的成品率和散热性。电子在石墨烯中是以隧穿的方式运动，器件的驱动电压可以很低。SiC衬底上的石墨烯是一种适合制备W波段或更高频低噪声放大器的材料。美国国防先期研究计划局DARPA斥资2200万美元，开展CERA（射频应用的碳电子，CarbonElectronicsforRFApplications）项目，用于研究石墨烯及基于石墨烯（Graphene）沟道的超高速、超低噪声、超低功耗的场效应晶体管，以满足高端毫米波系统的应用需求。CERA计划始于2008年7月，终于2012年9月，分为三个阶段。如下表所示：55 第一阶段的目标有两个：①初步确立石墨烯薄膜合成生长工艺，②验证石墨烯沟道FET制作工艺的可行性；第二阶段也有两个目标：①完善薄膜材料生长工艺，力求生长厚度精确控制在一个原子层，②演示超高速石墨烯FET；最后的第三阶段着重材料及器件性能、可生产性及可集成性的后期优化工作。最终成果是演示一个W波段（＞90GHz）的低噪声放大器，噪声系数≤1dB。计划不仅要求电路产出圆片尺寸达到8英寸，并且要求整张圆片的成品率优于90%。如果在接收系统的前端连接高性能的低噪声放大器，在低噪声放大器增益足够大的情况下，就能抑制后级电路的噪声，则整个接收机系统的噪声系数蒋主要取决于放大器的噪声。如果低噪声放大器的噪声系数降低，接收机系统的噪声系数也会变小，信噪比得到改善，灵敏度大大提高。由此可见低噪声放大器的性能制约了整个接收系统的性能，对于整个接收系统技术水平的提高，也起了决定性的作用。55 低噪声放大器是雷达、电子对抗及遥测遥控接受系统等的关键部件。L、S波段低噪声放大器一般用于遥测、遥控系统。在电子对抗、雷达侦察中，由于要接收的信号的频率范围未知，其实频率范围也是要侦察的内容之一，所以要求接收系机的频率足够宽，那么放大器的频率也要求足够宽。而且，雷达侦察接收的是雷达发射的折射波，是单程接收；而雷达接收的是目标回波，从而使侦察机远在雷达作用距离之外就能提早发现雷达目标。灵敏度高的接收机侦察距离就远，如高灵敏度的超外差式接收机可以实现超远程侦察，用以监视敌远程导弹的发射，所以，要增高侦察距离，就要提高接收机灵敏度，就要求高性能的低噪声放大器。在国际卫星通信应用中，低噪声放大器的主要发展要求是改进性能和降低成本。由于国际通信量年复一年地迅速增加，所以必须通过改进低噪声放大器的性能来满足不断增加的通信要求。因此，要不懈地不断努力去展宽带低噪声放大器的带宽和降低其噪声温度。从经济观点出发，卫星通信整个系统的成本必须减少到能与海底电缆系统相竞争。降低低噪声放大器的噪声温度是降低卫星通信系统成本的一种最有效的方法，因为地面站天线的直径可以通过改善噪声温度性能而减小。另一方面，在国内卫星通信应用中，重点放在低噪声放大器的不用维修特性以及低噪声和宽带性能，因为在这些系统中越来越广泛地采用无人管理的工作方式，特别在电视接收地面站中更是如此。卫星通信用的低噪声放大器可以分为两种类型——低噪声参量放大器和场效应晶体管低噪声放大器。这些低噪声放大器用在几个频段内，包括4GHz，12GHz和毫米波频段。宽带低噪声放大器的实现又有很多种类型。SiGe工艺具有优异的射频性能，更由于其较高的性价比，被广泛应用于移动通信、卫星定位和RFID等市场；SiGe工艺还可以与常规的数字模拟电路相集成，制造出功能完整的SoC芯片。目前采用SiGe材料制作射频集成电路已成为国际上的研究热点。实现前端的低噪声放大器是最近兴起的超宽带射频通信系统中的挑战之一。业界一直在追求完全集成的超宽带通信系统SOC，与其他工艺相比，CMOS工艺更易于系统集成，所以人们设计出了许多的CMOS工艺的超宽带低噪声放大器。4GHz频段是目前卫星通信最通用的频段，它用于国际卫星通信和国内卫星通信，包括电视接收地面站。在这些领域内，已经研制出了各种各样的低噪声放大器并已得到了应用。低噪声参量放大器和场效应晶体管低噪声放大器根据其冷却系统可以分为三种类型，即深致冷型式，热电致冷型式和非致冷型式。深致冷低噪声参量放大器在卫星通信的初期得到广泛的使用。而今天，除了一些特殊应用以外，这种型式的参放几乎不象以前那样广泛地使用，这是因为有维修困难等几方面的原因。热电致冷和非致冷低噪声参量放大器主要用在国际卫星通信地面站中，55 有时也用在国内卫星通信的关键地面站。由于变容管的改进和泵频的提高，这些低噪声放大器几乎具有深致冷参放那样的低噪声温度。场效应晶体管低噪声放大器主要用在国内卫星通信地面站中，特别是用在电视接收地面站中。在这些场合，几乎普遍采用热电致冷和非致冷型式。深致冷型式仅仅用在特殊的场合。毫米波具有用小口径天线就可产生方向性强的窄波束和很小的旁瓣的特点，使得截获和干扰毫米波信号变得非常困难，因而隐蔽性和反电子侦察能力好，适合在军用保密通信中使用；另外，作为大气窗口频率，它在特殊频率下呈现出低衰减的特点，因此成为卫星、宇航通信的必需的手段；同时它又具有波长短和较强的穿透战场烟雾、尘埃、雨雪等的能力，可为雷达、成像、精确制导等提供较高的目标分辨率和准全天候的作战能力，这些特别的优势使得采用毫米波技术的武器装备，如军用保密通信、导弹或灵巧炸弹的精确制导以及电子对抗和情报侦察等，在现代战争中占有越来越重要的地位。为此，从上世纪80年代初起，美国国防部尖端技术研究规划署(DARPA)、国家航空和宇航局(NASA)一直重点进行毫米波固态器件和电路的研究，目前已经取得了令人瞩目的成果，大量固态器件和芯片应用于新型武器装备上，在提高装备可靠性的同时还能大大缩小体积，满足军方对小型化的需求。目前，毫米波频段已在国外现有装备中使用，基于毫米波固态器件的雷达、精确制导系统、灵巧武器导引头、军用保密通信系统以及电子战对抗系统开始大量装备美军，并且在两次海湾战争和科索沃战争中取得了很好的实战效果。毫米波频段低噪声放大器具有明确的军事应用背景——先进极高频卫星通信系统(AEHF)。先进极高频卫星通信系统（AEHF）作为新一代的卫星通信系统，用于全球范围的战略与战术指挥与控制通信，它将为所有作战人员提供全球性、高安全性、受保护和持久的通信，还具备监视别国卫星运行的能力。55 C4ISR远景图AEHF卫星具有低速率、中速率波形和扩展速率波形，采用了星上处理技术、星间链路技术，以及轻型多功能通信天线的组合阵列和宽带频率合成技术等，具备抗干扰、低检测概率、低截获概率的特点和先进的加密系统，且能与其他军用网络兼容。AEHF能够支持动中通，能过提供数据、语音、视频会议和图像传输业务，能为国家战略和战术力量在各种级别的冲突中提供安全、可靠的全球卫星通信。它还能为那些需要快速、精确信息的用户提供实时地图、目标信息和先进的智能监视和侦察信息，能极大增强在作战时的C4ISR（指挥、控制、通信、计算机、情报及监视与侦察）能力，其卫星位于赤道上空36000千米的轨道上。毫米波频段低噪声放大器作为AEHF卫星通信系统的前端器件，主要用于毫米波频段信号的接收，在情报收集、电子对抗、抗干扰等方面具有广泛的应用，具有极高的军事价值。各种星载雷达、宇航通信装备的需求大大推动了毫米波固态器件的发展，它对我国航天事业的发展与进步尤起着至关重要的作用。另外，未来的外太空探索研究和各种星球探测器的登陆设备也需要毫米波电路进行控制和通信。近年来，随着西方军事强国的技术进步，毫米波电路已经逐渐成为主流技术，频率高达上百GHz的成品不断涌现；当前，国产自主研发的毫米波电路技术与之比较仍有很大的差距。为了适应未来的国防现代化建设，实现灵活移动、快速反应，安全隐蔽的军事、宇航通信，研制毫米波单片集成电路便显得异常必要。极高频卫星通信系统是指星上的主要通信设备上行传输频率为极高频(44GHz)，它比特高频(UHF)、超高频(SHF)频率高，下行传输频率为超高频(20GHz)，是美军军事卫星通信(MILSATCOM)体系结构中最关键的系统。极高频卫星通信系统又称军事战略战术中继卫星系统(Milstar)，它将为美军的战略指挥控制和战术部队提供保密、抗干扰通信，具有能支持全面战争的能力。未来的军事卫星系统向更高的EHF频段拓展。采用EHF频段有很多现有其它频段无可比拟的优点，一是扩大EHF频段的容量，大大减轻现有频谱拥挤现象；二是EHF的波束窄，可减少受核爆炸影响出现的信号闪烁和衰落，抗干扰和抗截收能力强。三是EHF55 频段系统使用的部件尺寸和重量都可大大缩小和减轻。但是，EHF卫星技术复杂，造价高昂，从EHF频段向更高的频段拓展需要一个较长时期。目前，世界上除美军外，其他国家还不具备极高频卫星通信能力。换句话说，极高频卫星通信系统是美军在目前和最近一个时期唯一拥有的最先进的通信系统，是美军指挥控制系统中的“杀手锏”，它所提供的保密和抗干扰的通信能力将对美军的全球战略发挥重大作用。据美国《空军杂志》网站近日报道：美国诺斯罗普·格鲁门公司近日宣布，B-2隐身轰炸机极高频（EHF）卫星通信系统升级计划已经开始进行试飞。根据该升级计划，将会为B-2轰炸机配备全新的处理硬件和通信装置，从而增强该机的连通性。据诺·格公司透露，自2010年9月1日以来，一架派驻加利福尼亚州爱德华兹空军基地担负测试任务的B-2飞机就一直携带着上述设备（主要包括新型综合处理单元、磁盘驱动器和光缆）进行试飞。加装上述设备是B-2轰炸机EHF卫星通信系统升级计划”增量”1阶段的主要内容，诺·格公司曾于今年三月宣布已经开始在B-2轰炸机上安装这些设备。整个B-2轰炸机EHF卫星通信系统升级计划包括不同复杂程度的三个阶段（“增量”1～3）。诺·格公司声称，当整个升级计划完成后，B-2轰炸机将能通过卫星传送和接收战场信息，其速度将比目前快100倍以上。美国空军列装的B-2隐形轰炸机武器装备对于战争来说具有重要的决定作用，在科技高速发展的今天尤为突出，电子战、信息战已经出现端倪，高科技武器系统对现代军事的影响越来越大，其中电子对抗技术、相控阵雷达远程侦测技术和灵巧武器精确打击技术正逐渐成为现在战争的主要手段。55 目前在3mm波段国外已经有显示装备在使用中，例如：SEATRACS系统是美国海军单面武器中心研制的一部毫米波舰载火控雷达，它的低俯仰角特性用于近程防空，其海面搜索系统和检测能力用于搜索潜望镜。其后续型SEATRACSII频率提高至94GHz；mini-PEV小型无人驾驶飞机雷达是美国MartinMariett公司为陆军研制的94GHz雷达系统，用于坦克定位和捕获，在能见度差，有烟雾和密林伪装的情况下，对敌方目标的识别性能胜过红外前视系统；美国Hughes公司研制的Wasp空地导弹在用94GHz主动/被动复合制导系统，在严重地物杂波的环境下不但可以发现、识别目标，而且还具有选择不同目标的能力。美国NorthropGrumman已经研制了1024单元的3mm焦平面器件。这些核心芯片应用在空间和电子战系统上能够极大提高战场侦知能力。毫米波高端系统正是我们未来需求大力发展的国防装备之一。神舟系统的成功发射和嫦娥探月工程的逐步实施将我国的宇航事业更上一层新的台阶，各种星载雷达、宇航通信装备的需求将大大增强，毫米波电路系统更是其中的关键部件，它对我国航天事业的发展和进步尤起着至关重要的作用。另外，未来的外太空探索研究和各种星球探测器的登陆设备均需要毫米波电路进行控制和通信。现有毫米波器件发展水平2002年美国Triquint公司采用0.15umGaAsPHEMT工艺推出了两款8mm低噪声放大器——TGA4507和TGA4508。其中，TGA4507的工作频率为28～36GHz、增益为22dB、噪声系数为2.3dB；TGA4508的工作频率为30～42GHz、增益为21dB、噪声系数为2.8dB。Hittite公司目前代销了NGST的两款低噪声芯片HMC-ALH369、HMC-ALH376，两款芯片均为GaAsHEMT工艺，其中ALH369工作频率为24～40GHz、增益大于18dB、噪声系数小于2.0dB；ALH376的工作频率为35～45GHz、增益大于12dB、噪声系数小于2.0dB。2008年，美国mimix-broadband公司也发布了一款Q波段GaAsLNA芯片XB1005-BD，工作频率为35～45GHz、增益为大于20dB、典型噪声指数为2.7dB左右。2008年Triquint公司基于0.15umGaAsPHEMT工艺设计了V波段低噪声放大器，其工作频率为57～65GHz、增益为13dB、噪声指数为4dB。55 目前大多数GaNHEMT研究针对的频段为S波段和X波段，在S波段主要用于移动通信基站，在X波段主要有电子对抗、相控阵雷达等军事应用。越来越多的GaNHEMT研究将工作频率扩展到Ka波段（26-40GHz）甚至毫米波段，目标是取代行波管放大器应用于雷达以及卫星和宽带无线通讯。工作频率的提高要求器件的栅长不断缩小，对于Ka以上波段的GaNHEMT栅长一般小于300nm，甚至要达到100nm左右。栅长的缩短一方面增加了工艺难度，更为重要的是短沟道效应的抑制对器件结构的设计提出了新的挑战。MOCVDGaNHEMT在40GHz的微波功率测试结果加入In0.1Ga0.9N背势垒层的GaNHEMT导带示意图Mishra等人研制了栅长为160nmGaNHEMT器件，所用MOCVD外延材料的二维电子气浓度为1.4×1013cm-2，迁移率1350cm2/Vs，MBE外延材料的二维电子气浓度为1.0×1013cm-2，迁移率1500cm2/Vs。器件的最大电流为1200-1400mA/mm，最大跨导400-450mS/mm，击穿电压大于80V，fT60-55 70GHz，fmax85-100GHz。MOCVDGaNHEMT在40GHz的微波功率测试结果显示，漏电压为30V时，最大输出功率密度为10.5W/mm，PAE为33％。MBEGaNHEMT也显示了很好的微波功率结果，在40GHz漏电压为30V时，最大输出功率密度为8.6W/mm，PAE为29％。但是，较低的PAE和fmax限制了器件的增益，只有5-7dB。钝化介质的寄生参数和短沟道效应是导致器件频率特性不太理想主要原因。去除钝化介质后，器件的fT提高到130GHz，fmax提高到140-170GHz。器件的栅长过短使得栅对二维电子气的束缚减弱，调制效率降低。短沟道效应导致器件出现软夹断、夹断电压漂移、夹断电流高以及输出阻抗增加等问题。在沟道中加入禁带较窄的材料如InGaN，形成双异质结结构，可以加强对二维电子气的束缚。但是沟道中InGaN的加入降低了器件的击穿电压，因而降低了器件的输出功率。为了在加强对二维电子气的束缚的同时不降低击穿电压，Mishra等人将1nm厚的In0.1Ga0.9N加入到GaN缓冲层和GaN沟道之间。如上图所示，1nm的In0.1Ga0.9N背势垒层造成沟道和缓冲层之间0.2eV的导带不连续，因此加强了对二维电子气的束缚。栅长为150nm的GaNHEMT跨导曲线随漏电压的变化，普通GaNHEMT的跨导特性随漏电压的增大不断退化，夹断电压从漏电压10V时的-5V减小到50V时的-8V以下，而且夹断特性明显变差；而对于带InGaN背势垒层的GaNHEMT，夹断电压在相同条件下只是从-3V减小-4V，在漏电压为50V时夹断特性仍然非常好。器件的频率特性也得到了相应的改善，其中fmax提高了18％。在去除钝化介质后，100nm栅长带InGaN背势垒层的GaNHEMTfT最高达153GHz，fmax最高达230GHz。功率测试表明，功率密度虽然没有明显提高，但PAE从50％提高到64-69％。最近，西方发达国家特别是美国在继续提升器件高频特性，不断优化制作工艺的同时，也逐步开展了InPPHEMT单片集成电路的研究，研发了多款Q波段单片集成电路；取得了InPMMIC方面的绝对优势，众多产品已经实现了装备化，这种领先的电子装备不但使他们的军事实力大大增强，而且在未来的外太空探索和宇宙开发中占得先机。美国休斯公司采用InPHEMT工艺研发了一款Q波段低噪声放大器。其中，工作频率为43.3～45.7GHz、增益大于20dB、噪声系数小于2.0dB。55 在应用用领域，HXi公司和quinstar公司是美国具有代表性的两家毫米波系统应用公司，HXi公司目前有两款通用型Q波段低噪声放大器HLNAAK-066和HLNAB-282，增益分别为24dB和16dB左右，噪声系数分别为4.0dB和5.5dB；quinstar公司有多种Q波段低噪声放大器产品，其噪声系数在3.5-4.5dB左右，增益在18-46dB之间分布。 石墨烯毫米波器件优势由于电子在石墨烯中可不被散射而进行传输，用其制备的晶体管尺寸更小、速度更快，能耗更低，适于高性能、高集成度的RF系统级芯片（SoC）应用。石墨烯器件工艺与传统的CMOS工艺兼容，是器件关键材料的更新换代的首选。专家预测石墨烯的研究成果将对高端军用系统的创新发展产生难以估量的冲击力，包括毫米波精密成像系统、毫米波超宽带通信系统、雷达及电子战系统等。石墨烯由于其特有的高迁移率、好的噪声性能等，在低噪声放大应用中有很大的优势，能广泛的应用于W波段以及以上波段的毫米波单片集成电路（MMIC）和低噪声放大器等电路中，因而成为近期研究的一个热点。二、国内外研究概况、水平和发展趋势（一）国外研究现状及发展趋势2004年英国曼彻斯特大学的安德烈·K·海姆课题组首次找到一种把石墨层粘贴在透明胶上，然后反复数次把石墨与胶带分开，最后得到石墨烯（石墨单层）的方法，并制作出了世界最小晶体管，由此获得了2010年诺贝尔物理学奖。由于石墨烯严格的二维结构，它蕴涵着许多新的物理以及潜在应用，因此它成为目前科学研究的热点之一。自2004年Andre.K.Geim教授和Kostya.Novoselov研究员首次制备出石墨烯以来，石墨烯受到全世界科学家的广泛关注，下图表示出了近几年石墨烯的文章SCI收录情况，以每年翻番的速度增长。55 近几年石墨烯的文章SCI收录情况早在1999年，Lu等就用氧等离子刻蚀，在以SiO2为基底的高定向热裂解石墨上刻蚀出了厚度约为200nm的石墨层。G．Chen等采用超声波粉碎经过酸插层的膨胀石墨，首次大量制备出厚度几十纳米的纳米石墨微片。Liu等首次报道了用水合联氨还原聚苯胺插层氧化石墨化合物，还原后化合物的导电性增加了1个数量级。2005年Srivastava等采用微波增强化学气相沉积法，在Ni包裹的Si衬底上生长出了20nm左右厚度的“花瓣状”的石墨片，并研究了微波功率大小对石墨片形貌的影响。2006年Niyogi等研究了用十八胺对氧化石墨表面进行改性，制得长链烷基改性石墨。Li等在Stankovich等研究的基础上，利用还原氧化石墨的方法在没有任何化学稳定剂的情况下，通过控制石墨层间的静电力，制备出了在水中稳定分散的石墨烯溶液。2007年，Zhu等通过调整合成碳纳米管的参数，在没有催化剂的情况下用电感耦合频射等离子体化学气相沉积法在多种衬底上生长出了纳米石墨微片。这种纳米薄膜垂直生长在衬底上，类似于Srivastava等的“花瓣状”纳米片。2006年，Heer等首次将SiC置于高真空，1300℃下，使SiC薄膜中的Si原子蒸发出来，生成连续的二维石墨烯薄膜。这种方法制备出来的二维石墨烯薄膜厚度仅为1-2碳原子层。2008年，KonstantinV.Emtsev等人在Ar气保护氛围下将SiC进行高温退火，相对Heer等真空退火的方法，制得的石墨烯薄膜的均匀性及质量都大大改善。55 许多发达国家都对石墨烯的研究投入了大量的人力和财力。美国近年来对石墨烯的经费投入非常巨大，大大推动了他们在该方面的科学进展。在匹兹堡举行的美国物理学会年会上，石墨烯是科学家们谈论的主要话题。研究人员用23场讨论分会探讨有关这种材料的问题。韩国科学家在制备大尺寸、高质量的石墨烯薄膜方面取得了突破性进展。根据《Nature》报道，韩国研究人员近日发现了一种制备大尺寸石墨烯薄膜的方法。这种石墨烯薄膜不仅具备高硬度和高拉伸强度，其电学特性也是现有材料中最好的，这些单原子层厚的碳薄片是非常有前途的材料。可惜这种材料是在金属衬底上制备的，不适合做微波高频器件。2011年，美国宾夕法尼亚大学研制出100mm直径的石墨烯晶片。2011年初，美国普渡大学研制出SiC上石墨烯材料的迁移率为18700cm2V-1s-1。2008年3月，IBM沃森研究中心的科学家在世界上率先制成了基于SiC衬底的低噪声石墨烯晶体管。普通的纳米器件随着尺寸的减小，被称做1/f的噪音会越来越明显，使器件信噪比恶化。这种现象就是“豪格规则(Hooge'slaw)”，石墨烯、碳纳米管以及硅材料都会产生该现象。因此，如何减小1/f噪声成为实现纳米元件的关键问题之一。IBM通过重叠两层石墨烯，试制成功了晶体管。由于两层石墨烯之间生成了强电子结合，从而控制了1/f噪音。IBM华裔研究人员林育明的该发现证明，两层石墨烯有望应用于各种各样的领域。IBM采用双层石墨烯结构降低器件噪声2008年6月底，日本东北大学电通信所末光真希教授将SiC在真空条件下加热至1000多度，除去硅而余下碳，通过自组形式形成单层石墨烯。55 末光教授的团队通过控制SiC形成时的结晶方向和Si衬底切割的结晶方向，得到了100×150平方微米面积的两层石墨膜，其晶格畸变率仅为1.7%。其他科研团队利用传统方法的晶格畸变率为20%，因而不能制成可实际应用的器件。2009年5月，HRL实验室宣称在高质量2英寸石墨烯薄膜及其射频场效应晶体管方面取得了突破，下图显示了器件的结构和电子输运特性。HRL资深科学家Jeong-SunMoon表示，该器件拥有全球最高的场迁移率，约6000cm2/Vs，是现阶段最先进硅基n-MOSFET的6-8倍。他们使用Aixtron的VP508CVD反应设备，通过从6H-SiC晶体中升华硅的方法，成功制成了石墨烯薄膜。之后使用标准的光刻胶工艺和氧反应离子刻蚀技术制备了晶体管。源极和漏极接触是钛、铂和金的合金，使用原子层沉积技术制备20nm厚的氧化铝栅电介质，事实上这样做捕获了界面电荷，可能会导致器件性能下降。HRL实验室在2英寸石墨烯薄膜上的射频场效应晶体管2009年，意大利的科研人员成功地用石墨烯制造了首枚包含两个晶体管的集成电路，它拥有简单的计算能力，标制着碳基电子学时代的到来。这枚只有两个晶体管的集成电路虽然很小，却是向制造碳基高性能电子器件迈出的重要一步。在2010年2月出版的《Science》杂志上，IBM的研究人员展示了一种由SiC单晶衬底上生长石墨烯材料制作而成的场效应晶体管（FET），其截止频率可达100GHz，这是运行速度最快的射频石墨烯晶体管。这一成就是美国国防部高级研究计划局(DARPA)“碳电子射频应用项目”(CERA)55 取得的重大进展，为研发下一代通信设备铺平了道路。研究人员通过使用与现行的先进硅器件制造技术相兼容的加工技术制成了晶圆规模、外延生长的石墨烯，从而达成了此高频记录。2010年6月，石墨烯FET突破上次记录。来自IBM公司的Ph.Avouris，林育明等人运用SiC高温升华法，把2英寸4H-SiCSi面衬底在1450℃下高温退火，制得大部分由单层石墨烯覆盖的2英寸片。经氧等离子体刻蚀形成沟道区，热蒸发源漏金属电极，ALD方法制备栅电介质，最终制备出栅长为90nm，截止频率fT达到170GHz的FET器件。2011年6月10日，IBM的研究人员在《Science》上发表了晶圆级石墨烯集成电路的最新结果，将石墨烯场效应晶体管和电感单片集成在SiC衬底上，研制出最高可工作到10GHz的宽带混频器集成电路，如下图所示。IBM最新研制的石墨烯混频器照片科学家们认为，这项突破可能预示着，未来可用石墨烯圆片来替代硅晶片，相关研究发表在最新一期《Science》杂志上。该集成电路建立在一块SiC上，并且由一些石墨烯场效应晶体管组成。去年，IBM公司托马斯·沃森研究中心科学家林育明领导的团队展示了首块基于石墨烯的晶体管，其能在100GHz55 的频率上运行，但这次，该团队将其整合进一块完整的集成电路中。按照美国电气与电子工程师学会（IEEE）出版的《IEEE波普》杂志的解释，这块集成电路是一个宽频无线电频率混频器，该集成电路通过找出两个输入频率的和与差来输出新的无线电信号。科学家们表示，最新的石墨烯集成电路混频最多可达10GHz，而且其可以承受125℃的高温。正如IBM公司负责科研的副总裁陈自强博士表示，石墨烯的一大优势在于其中的电子可实现极高速的传输，这对于下一代高速、高性能晶体管的研发来说是至关重要的。上述一系列技术突破清楚地表明了石墨烯在高性能器件和集成电路方面的巨大应用前景。美国已经把石墨烯定位于最可能取代Si材料的下一代半导体材料，军方、企业界、大学都花了很大的人力、财力、物力进行石墨烯材料和器件的研究。DAPRA统筹规划，从石墨烯材料制备、器件工艺、电路等方向齐头并进，最终制作出W波段的低噪声放大器。能够放大微波射频信号的元件有很多，速调管和行波管专门用于高功率场合下放大微波射频信号，而且噪声很高；参量放大器可用于低噪声放大，但是带宽较窄；利用半导体材料的雪崩效应工作的雪崩二极管，因为其噪声较大多数用作负载功率放大器；另外，还有隧道二极管、体效应二极管等微波固体器件，但前者承受信号功率小，易于烧毁而应用很少，而后者工作电压低、调频噪声小而多用于振荡器。量子放大器的噪声系数最好，但是它庞大而且昂贵。到上世纪四十年代微波晶体管的问世，由于其体积小、重量轻使得其成为微波固体器件的一个重要分支。到了六十年代中期，由于平面外延工艺的发展，双极晶体管能够应用于微波射频波段。而且，随着半导体材料和工艺的迅速发展，场效应晶体管紧接着也应用于微波射频频段。微波晶体管放大器具有宽频带、稳定性好、噪声性能好、动态范围大等优点。射频低噪声放大器的设计过程是一个多个性能指标参数折中的过程，它的性能参数包括工作频率、功率增益、噪声系数、输入输出匹配、线性度和直流功耗以及稳定性等。随着CMOS工艺水平的不断提高，设计方法的不断进步，CMOS射频低噪声放大器的性能越来越高。当然，现代无线通信系统对LNA的要求也越来越高，这必然也推动着人们不断去研究探索出新的性能更完善的LNA。55 在低噪声放大器的设计过程中，我们通常都有好几个目标，比如要使噪声尽可能地小，提供足够增益的同时要有足够的线性度，以及要能提供一个稳定的50Ω输入阻抗，当然在便携设备中还有一个要求就是功耗要尽可能地低。当低噪声放大器前面有一个预选滤波器时，有一个性能好的输入匹配是非常重要的，因为这种滤波器对终端阻抗的质量是非常敏感的。在设计者头脑中有一个这样的概念后，我们首先考虑的就是能够提供一个稳定的输入阻抗，因此出现了各种输入结构，归纳起来可以分为四种，如图1.1所示。这里的每一种结构或者以单端形式出现，或者以差分形式出现。几种常见的LNA结构上图(a)所示电路，在栅极并联一个匹配电阻（在窄带应用中，为实现调谐还可以在MOSFET栅极并联一个到地的电感），虽然可以实现共轭匹配，但是对放大器的噪声系数影响很大，不适合于要求低噪声系数的场合。上图(b)所示共栅极电路，它可以在低电压下工作，其输入电阻就是其跨导的倒数，我们可以选择合适的器件尺寸和改变其偏置实现阻抗匹配，它不必外接元件也能够达到50Ω的输入电阻，但是它的噪声性能不好，其理论最小噪声系数为2.2dB，不适合用在对噪声系数要求高的场合。上图(c)所示电路，它是一个跨阻放大器，在宽带放大器中用的比较多。上图(d)所示是源极电感负反馈电路，是目前低噪声放大器当中用的最为广泛的一种结构，它通过源极电感来产生输入阻抗的实部，由于它产生的这个实部不是实电阻，因而这种结构的噪声系数比较小。55 在过去的二十几年，低噪声技术有了长远的发展。在80年代早期，低噪声放大器的噪声性能已经相当出色了，然而其体积重量都比较大，功耗也比较大。卫星地面终端对低噪声、重量轻、低功耗以及高可靠性同时提出了要求，当时的低噪声放大器还很难同时达到上述要求。随着分子束外延(MBE)和金属有机化合物化学汽相淀积(MOCVD)等晶体生长技术、“能带工程”原理在器件设计中的成功应用，以及电路匹配技术，器件工艺技术的发展，人们开发了许多新型的半导体器件。除砷化钾场效应晶体管(GaAsFET)外，其佼佼者有高电子迁移率晶体管(HEMT)和异质结双极晶体管(HBT)。1981年法国Thomson-CSF公司研制成功第一个低噪声HEMT，在10GHz下，NF为2.3dB，Ga为10.3dB。在之后的五年里，HEMT已取得了显著的进展，成为公认的最适于毫米波应用的低噪声器件之一。在60GHz下，用GaAs基的HEMT器件能够达到NF＝1.7dB，Ga＝7.6dB。InP-HEMT在1987年问世之后的几年里，噪声性能已提高到令人惊奇的程度，是目前毫米波高端应用最好的低噪声器件。在60GHz下，InP-HEMT能够达到NF＝0.9dB，Ga＝8.6dB。目前，用HEMT制作的多级低噪声放大器已广泛用于卫星接收系统、电子系统及雷达系统。微波电路是以微波混合集成电路(MIC)的形式出现的，它是把微波无源元件制作在塑料、陶瓷、蓝宝石等介质基片上。再把微波半导体器件装配(焊接)在基片上。1989年，由混合微波集成电路技术制成的三阶InP基放大器在60-65GHz频段内，已达到噪声系数3.0dB，其相关增益为22dB。三年以后，使用0.1μmInP基HEMT制成的三阶放大器在60GHz下已达到1.6dB的噪声系数，其相关增益16dB。高电子迁移率晶体管及异质结双极晶体管的出现和GaAs工艺的成熟，给微波单片集成电路(MMIC)的发展奠定了基础。在MMIC中，通常由各种器件、集总参数元件和分布参数元件按照一定的电路拓扑排列而构成。从电路的结构上来看，这和混合微波集成电路有着很多相似的方面，两者既有联系又有区别。在MMIC中的元件包括有源元件和无源元件两类。主要是利用MESFET或HEMT作为有源元件。无源元件除了各种形状的传输线构成的分布参数元件外，一些集总元件也经常使用。55 进入90年代，随着晶体材料技术和微细加工技术的发展，毫米波MMIC进入实用化阶段。MMIC开始主要应用于军用系统，90年代以来，MMIC在商用产品中开拓了广阔的市场。这主要是商用无线通信市场，如低轨道卫星移动通信、环球定位卫星系统等。（二）国内研究发展情况我国的相关科研单位如中科院、中国电科及部分高等院校也积极开展了石墨烯的研究，包括石墨烯的理论研究、材料制备、测试以及器件制作等。中科院物理研究所王恩哥等采用剥离-再嵌入-扩张的方法成功地制备了高质量石墨烯。电学测量表明，所制备的石墨烯在室温和低温下都具有高的电导，比通常用还原氧化石墨方法获得的石墨烯的电导高2个数量级。中国科学院化学所的研究人员探索了一种以图案化的金属层作为催化剂制备图案化石墨烯的方法，并成功地将其应用于有机场效应晶体管。研究结果表明，石墨烯是一种性能优异的有机场效应晶体管电极材料。低的载流子注入势垒和良好的电极半导体接触是器件具有高性能的主要原因。这一研究进展为有机场效应晶体管和石墨烯的发展奠定了良好的基础。中科院数学与系统科学研究院明平兵研究员及合作者刘芳、李巨的计算结果预测了石墨烯的理想强度。有机固体院重点实验室研究人员在化学气相沉积法制备石墨烯的过程中通入氨气作为氮源，得到了氮掺杂石墨烯样品，并对其电学性质进行了研究，发现氮掺杂石墨烯显示出n型导电特征，和理论研究的结果相吻合。中国科学院金属研究所沈阳材料科学国家（联合）实验室先进碳材料研究部研究员成会明、任文才研究小组在石墨烯的控制制备、结构表征与物性的研究方面取得了一系列新的进展。中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家实验室的高鸿钧研究组成功制备了毫米级高度有序的、连续的、单晶的石墨烯。主要是通过优化生长条件获得了理想的毫米级外延石墨烯二维单晶材料，并以详尽的实验与理论研究对此进行了证实。中科院微电子所微波器件与电路研究室金智研究员领导课题组采用微机械剥离的方法成功制作出1000μm2以上不同层厚的石墨烯材料，并研制出背栅型结构石墨烯场效应晶体管。山东大学已成功在2英寸SiC衬底上制备出大面积的石墨烯，由AFM图可看到明显石墨烯梯田结构。另外，山东大学在激光调制方面利用石墨烯做了大量研究工作，获得了良好的实验结果。将SiC上生长的石墨烯材料用于Nd:LuVO455 激光的被动调Q，在16W的泵浦功率下获得的最大平均输出功率、脉冲重复频率、脉宽分别为474mW，795KHz和56.2ns。分别如下图所示。石墨烯的AFM像输入输出功率曲线输入功率-脉宽频率曲线五十五所在MOSFET器件和电路方面开展了相关研究，具备了一定的技术基础。（三）国内外对比分析由于国内研究起步较晚，虽然在石墨烯的研究方面也取得了一定的成绩，但是目前国内石墨烯及器件技术同国外，特别是同美国相比有较大差距。主要表现在以下几个方面：（1）石墨烯只限于小面积生长，目前主要集中于厘米量级的石墨烯制备，厚度均匀性、可生产性和重复性较差。（2）理论与实际工作差异较大。超高真空和一定压力下，生长模型未能完全确立，国际上理论模拟结果与实验结果相差较大，尚不能为材料的实验工作提供正确的理论指导，在本项目的器件研制中，将进行器件建模并应用到实际工作中，达到理论与实际的完美结合。55 （1）石墨烯材料用于制备电子器件禁带宽度的引入和控制问题国外尚未定论。本项目将纳入此研究内容，提高材料和器件性能。（2）石墨烯是新兴二维材料，器件设计和工艺与传统工艺有很大差异，如超薄层欧姆接触、低损伤介质沉积、器件低开关比等。（3）SiC衬底上的石墨烯场效应晶体管和电路研究国内目前尚未见报道。期望通过本课题研究，在突破晶圆级石墨烯材料生长机理和关键技术的基础上，实现石墨烯FET器件的制备，提高国内石墨烯材料和器件的研制水平，缩小与国外的差距。三、项目研究总目标（一）本项目总体目标本项目开展石墨烯毫米波器件与晶片级材料基础理论与实现方法研究。探索石墨烯形成机理和生长动力学过程，揭示其载流子传输规律，研究石墨烯结构与性能之间的关系，实现其能带和载流子迁移率的有效调控，突破毫米波段石墨烯器件的制备技术，实现U波段2-4dB低噪声放大器，为军事应用打下坚实基础。标志性成果：研制石墨烯场效应晶体管和4-6英寸SiC衬底石墨烯材料。晶体管截止频率fT为100-300GHz；U波段低噪声放大器的噪声系数为2-4dB。（二）关键科学问题（1）石墨烯材料载流子输运机制探索石墨烯材料衬底、内部缺陷及器件制备工艺对载流子输运特性和散射机制的调控作用机理。发展和完善基于SiC衬底的石墨烯能带结构调制及载流子输运特性的理论，分析石墨烯材料的电子-声子耦合机制、石墨烯与SiC衬底相互作用机制、缺陷对载流子输运的影响以及器件制备中栅材料、刻蚀和欧姆接触等对器件性能的影响规律，阐明影响石墨烯材料载流子迁移率的关键因素，明晰石墨烯器件的载流子输运机理与器件性能之间的关系。（2）石墨烯二维体系生长热力学和动力学机制探索石墨烯生长的物理化学过程，研究工艺参数对材料性能的影响，建立石墨烯材料生长的热力学和动力学模型。优化温场设计，研究生长工艺对晶片级SiC衬底石墨烯结构及55 均匀性的影响，揭示外部因素与石墨烯材料特性之间的内在关系，系统研究石墨烯材料的结构与其电、热、光等物理特性的关联性。（3）石墨烯带隙工程及器件模型探索石墨烯材料带隙引入机制，研究能带与材料结构的关系，掌握石墨烯材料特性随外场的变化规律，指导器件结构设计；研究石墨烯电学性能调制机理，建立石墨烯器件模型，进行模拟仿真，阐明器件性能和材料结构、制备工艺之间关系，为制备高性能石墨烯器件奠定理论基础。四、重点研究课题和主要内容（一）研究课题及主要内容根据课题的总体研究目标及拟解决的关键科学问题，本项目设置三个子课题。在设置课题时充分发挥各承担单位的优势，并重视各家单位之间的密切配合与协作。课题的设置既保持相对独立，又相互衔接交叉，围绕总体研究目标，形成有机的研究体系。(1)系统性：以理论模拟、材料制备和器件工艺为主线，将三个课题统一成有机的整体；(2)分别以理论模拟、材料制备和器件工艺方面的坚实基础，充分发挥各单位的优势和学术骨干的专长；(3)强调研究的突破点、原创性和系统性的结合。如下图所示，三个课题各有侧重点，又相互交叉，形成了完整的高质量石墨烯的理论模拟、材料制备、结构表征及器件工艺的研究框架体系，理论研究与实验工艺密切结合，多学科背景的研究人员交叉协作，为实现本项目的预期研究目标提供了有利条件和技术保障。55 三个课题名称分别为：（1）石墨烯生长动力学、载流子输运及散射机制基础理论研究；（2）晶片级高质量石墨烯材料关键技术研究；（3）毫米波石墨烯场效应管制备技术研究。承担单位为：山东大学，清华大学，中科院物理所，西安电子科技大学，中国电子科技集团公司第五十五研究所课题1名称：石墨烯生长动力学、载流子输运及散射机制基础理论研究课题研究目标理论研究SiC衬底上石墨烯生长机理，探索石墨烯生长的物理化学过程，计算精细几何结构，根据其物理化学性质探索结构与物性的关联性，建立生长热力学和动力学模型；探索石墨烯材料衬底、内部缺陷及器件制备工艺对载流子输运特性和散射机制的调控作用机理。发展和完善基于SiC衬底的石墨烯能带结构调制及载流子输运特性的理论，分析石墨烯材料中的电子-声子耦合机制、石墨烯与SiC衬底相互作用机制、缺陷对载流子输运的影响。明晰石墨烯器件中的载流子输运机理与器件性能之间的关系。主要技术指标掌握SiC衬底上石墨烯生长的热力学和动力学特征，建立石墨烯结构与物性的理论模型。55 主要研究内容（1）SiC衬底上石墨烯生长机理的理论研究构建SiC表面模型，进行表面重构计算；构建Cn/SiC表面模型，通过吸附能的计算探索出不同C原子数目下相对稳定的Cn/SiC结构；构建含台阶表面的Cn/SiC表面模型，通过吸附能的计算探索出不同C原子数目下相对稳定的含台阶表面的Cn/SiC结构；计算石墨烯团簇在有无台阶面的SiC衬底表面两种情况下的成核势垒、成核尺寸和成核速率，最终给出石墨烯在SiC衬底上成核的机理，为实验生长石墨烯提供理论指导。（2）石墨烯异质结构及功能化石墨烯的理论研究构建不同缺陷排列的石墨烯异质结和功能化石墨烯，讨论最为稳定的缺陷排列方式并得出异质结稳定性同宽度、厚度以及边缘形状的关系，探讨石墨烯异质结和功能化石墨烯的生长机理；研究扶手椅和锯齿型石墨烯异质结及功能化石墨烯的几何特性、稳定性及有限长石墨烯异质结及功能化石墨烯的的结构和性质。（意义不大）（3）石墨烯电学和光学性质的理论研究研究石墨烯的特征电子结构以及局域电学性质。弄清楚石墨烯的输运性质、光电性能及其性能与结构之间的关系，实现其载流子迁移率调控。研究石墨烯及石墨烯基材料体系输运特性：包括石墨烯的电学输运性质和热电性质的研究等。研究石墨烯材料体系的光学特性：包括石墨烯光学吸收和反射性质研究；石墨烯材料中拉曼散射和电子-声子耦合的研究。分析石墨烯材料的晶格振动、电导率、深能级缺陷、载流子的浓度和迁移率的变化。（4）石墨烯与衬底的相互作用及其对电子输运特性调控的理论研究研究石墨烯与SiC衬底的相互作用形式，分析相互作用机理；研究衬底上石墨烯几何结构稳定性及能带结构、电荷密度等电子结构改变规律，探讨衬底上石墨烯的电子输运特性；从衬底微结构调控、衬底缺陷调控和衬底功能修饰等多角度，进一步研究衬底对石墨烯电子结构调控作用，建立衬底上石墨烯纳米器件结构模型，研究其电子输运特性；探讨外场调控下，SiC衬底的响应行为和微观机理。建立石墨烯载流子输运的基础理论模型，研究二维材料中声子、缺陷和晶界对输运的影响。研究进度55 2012年：初步建立第一性原理方法研究SiC表面外延石墨烯生长的理论框架，构建不同大小尺寸碳团簇在SiC衬底的原子模型，得到不同尺寸下稳定的碳团簇模型，计算碳团簇形成石墨稀的成核势垒、成核尺寸以及成核速率等生长参数，从理论上获得石墨烯生长的微观机制。2013年：构建石墨烯异质结构以及功能化石墨烯的理论模型，模拟其生长过程，探讨其生长机理，总结其结构稳定性同宽度、厚度以及边缘形状的关系；探讨缺陷存在形式及其对石墨烯基功能材料电子输运性质等特性的影响规律。将理论计算结果与实验进行对比，修正理论模型。2014年：研究石墨烯的特征电子结构，局域电、磁性质，以及光学特性，包括光学吸收和反射性质、拉曼散射和电子-声子耦合效应，以及电学输运性质和热电性质的研究；总结石墨烯的输运性质、光电性能及其性能与结构之间的关系，分析石墨烯材料的晶格振动、电导率、深能级缺陷、载流子的浓度和迁移率的变化。2015年：研究石墨烯与SiC衬底相互作用形式，分析相互作用机理；研究衬底上石墨烯几何结构稳定性及能带结构、电荷密度等电子结构改变规律，探讨衬底上石墨烯的电子输运特性。结合实验现象，通过调控衬底微结构及对衬底进行功能修饰来实现对石墨烯电子结构的调控，在此基础上，探讨外场调控下衬底的响应行为和微观机理。通过将理论计算结果与实验现象相比较，不断完善理论结果，认真总结，准备结题。成果形式从理论层次上对石墨烯的生长机理予以解释，总结其几何结构和物理化学性质之间的关联，得出石墨烯与衬底的相互作用规律，为石墨烯的制备以及新型石墨烯原型器件的构建及应用探索提供理论解释与指导；培养和造就一批高层次的研究人才，培养博士研究生3名以上；提供中国国防科技报告（GF报告）一项；发表10篇以上SCI学术论文。建议承担单位清华大学，山东大学55 课题2名称：晶片级高质量石墨烯材料关键技术研究课题研究目标及主要技术指标课题研究目标研究4-6英寸SiC衬底片化学修饰和表面处理对石墨烯特性的影响机理。进行适宜温场设计，研究工艺参数对晶片级SiC衬底上石墨烯结构及均匀性的影响，揭示外部因素与石墨烯特性之间的内在关系。建立较完备的石墨烯材料表征体系。主要技术指标4-6英寸SiC衬底片经过化学机械抛光后，有规则的原子台阶，表面粗糙度Ra小于0.5nm；TTV小于10um，Bow小于20um；生长出的石墨烯材料载流子霍尔迁移率大于20000cm2/V·s；4-6英寸全晶圆尺寸内石墨烯材料覆盖率大于90%，最大石墨烯有效面积1000mm2。主要研究内容（1）大直径SiC衬底的表面处理工艺探索适合生长石墨烯的SiC衬底的表面处理工艺，主要包括优化化学机械抛光工艺，消除表面划痕和亚损伤层，降低表面粗糙度，为石墨烯制备打下基础；研究不同表面处理工艺对石墨烯结构和特征的影响规律。（2）理论模拟设计石墨烯的适宜生长温场理论模拟在超高真空或在氩气气氛中的高温炉中生长石墨烯，设计出最佳的温场，调控出适宜的生长工艺参数，建立SiC衬底上碳原子重构的模型，并分析机理。（3）晶片级石墨烯生长工艺方法分别利用高温退火并辅助Si束流的方法在SiC衬底表面生长石墨烯，系统研究不同退火时间和退火温度对石墨烯材料形貌和结构的影响，并不断优化工艺参数，控制层数，提高石墨烯材料的均匀性。（4）不同类型SiC衬底石墨烯生长方法SiC衬底具有不同的偏角，如偏向（11-20）4°、8°及正向，SiC衬底是极性晶体，有Si面和C面两个极性面，研究SiC衬底不同偏角、不同极性面上石墨烯的生长条件；研究石墨烯的结构和性能与SiC基底的晶型、晶向、导电类型的关系；研究55 石墨烯的特征与生长工艺参数的关系，总结可控制备大面积、高质量石墨烯的规律；研究SiC衬底与石墨烯的界面特性，探索石墨烯在不同固体表面的转移机制。（5）面向应用的石墨烯材料工艺控制研究研究通过基于温度场优化设计的系统工艺控制，在2-4英寸全晶圆尺寸SiC衬底上的石墨烯膜制备的均匀性与可重复性，这对材料未来的工业化生产具有重要意义。（6）大面积晶片级石墨烯材料新型制备方法探索 对6-8英寸Si/3C-SiC复合衬底上进行全晶圆石墨烯材料制备的研究，这对制备大面积石墨烯材料，提高与硅工艺的兼容性具有重要意义。 研究在真空热解法的基础上采用加入卤化物的方法，加快石墨烯的形成速度，降低制备工艺的温度。 通过采用Cu衬底的表面催化和自限制机制，研究开发大面积单层石墨烯的外延生长技术。利用Si/SiO2、Si/HfO2、SiC衬底及PET柔性衬底，研究大面积石墨烯的无损转移技术，以及石墨烯与衬底间相互作用的基础研究。 通过研究不同注入能量和不同注入剂量来控制过渡族金属薄膜中C的分布；并根据石墨烯生长的具体条件，建立模型模拟注入参数； 石墨烯的MOCVD生长包含过渡族金属生长、高温退火、C的固溶和C的析出四个关键过程。针对以上四个过程，重点开展反应腔、气体输运模式与方法以及自动控制模式与方法等创新性研究，满足石墨烯生长需要。（7）石墨烯结构及输运性质表征体系从现有文献来看，目前还没有一套统一的、完善的体系和方法来确定外延生长graphene的物理特性。对于旨在制备graphene基电子器件而言，外延graphene表面形貌、有序性、层数（厚度）等均是影响电子迁移率的主要因素。一些组合的测试手段可以非常清晰的确定其相关特征。此外测试和表征结果的反馈也对整个工艺优化过程具有重要的指导意义和参考价值。我们研究的内容有以下几个方面： 如何确定的graphene的层数和厚度 外延生长graphene的有序性和表面形貌研究 载流子的迁移率表征 测量掺杂浓度55 制备出的石墨烯材料的层数对材料的电学及其他物理特性影响很大，同时对制备过程中加热时间等工艺参数的确定具有重要的反馈意义，因此如何确定的SiC衬底上石墨烯的层数和厚度是我们在表征体系中首先要关注的问题。热解法制备的SiC表面的石墨烯的有序性和表面形貌表征对于评价材料的质量具有重要意义，同时对后续器件的制备有很大影响，这也是我们在建立表征体系的过程中需要重点关注的问题。石墨烯材料的一个非常重要的优势就是载流子的迁移率很高，制备的材料的载流子迁移率是考核材料是否合格的主要指标，对其的表征表征需要设计合理的测试结构和测试方案，要求测试结果准确，测试方法简单易行。测量石墨烯材料的热导率、掺杂浓度等其他重要物理特性也是表征体系中的重要组成部分，其测试方法对整体材料生长质量和工艺合理性的评价具有重要意义。超高真空低能电子衍射显微镜可以对石墨烯生长过程进行原位的观测，并分析出石墨烯生长过程中的表面结构，低能电子衍射谱还可以表征表面的化学组分，从而达到对石墨烯生长过程和表面结构的全面理解。石墨烯的输运性质对器件影响较大，主要通过扫描隧道显微镜表征。扫描隧道显微镜是石墨烯表面形貌分析的重要手段。它不仅可以表征表面形貌，石墨烯的均匀度和原子结构，还可以通过扫描隧道谱分析费米面附近的电子结构，为进一步输运性质的研究奠定基础。石墨烯输运性质的研究是实现器件应用的基础。由于石墨烯载流子类型和浓度对周围化学气氛十分敏感，要获得本征性质，多探针的测试平台必须在高真空或超高真空中完成。测试平台的搭建是测量材料和器件本征性质的关键。四探针的扫描隧道显微镜不仅可以进行常规四探针的输运测量，还可以对表面形貌，原子结构进行表征。最近我们实现的扫描隧道电势显微镜还可以对石墨烯局域的输运进行研究。可以研究表面形貌，层厚变化，晶界和磁场对石墨烯输运的影响。研究进度2012年：优化生长石墨烯的各类SiC衬底的抛光工艺，提高表面加工质量，消除表面缺陷，提高晶片平整度，降低表面粗糙度，消除表面划痕和亚损伤层，为石墨烯的生长制备良好的SiC基底。55 2013年：采用模拟软件理论模拟SiC表面硅原子的脱离和碳原子的重构，并找到适合生长石墨烯的温场。建立石墨烯生长和检测平台，探索石墨烯生长的适宜的温场条件，并生长出石墨烯材料。完成石墨烯生长过程中，低能电子衍射显微镜和低能电子衍射谱的原位表征；建立石墨烯在SiC表面生长模型；完成测试平台的设计和论证。2014年：研究正向SiC衬底的预处理方法，不同退火时间、升降温速率对石墨烯结构和性能的影响。优化生长工艺参数，做到层数可控、规整均匀。实现高效率、小批量的高性能的国防急需的石墨烯材料的制备。完成石墨烯最优化生长条件的摸索；完成石墨烯表面形貌，原子结构和电子结构的研究；完成输运测试平台的搭建。研究不同SiC衬底的偏角和极性面上石墨烯各自的生长条件。分别分析以台阶流方式和螺位错方式生长的SiC衬底上石墨烯的形成机理。掌握不同极性面石墨烯的形成规律。研究SiC衬底与石墨烯的界面特性。2015年：建立SiC衬底上碳原子重构的模型，并分析机理。生长的石墨烯提供给下游器件用户使用，根据用户的反馈结果，不断优化工艺，提高质量。利用原位输运测量系统，完成石墨烯表面输运性质的测量。分析SiC衬底上晶体本身缺陷和表面加工缺陷对石墨烯质量的影响。不断完善理论模拟和工艺参数，认真总结，准备结题。成果形式获得国防可用的、高性能、结构规整、均匀性好的石墨烯材料；通过系统的理论研究结合仪器表征手段，进一步测试和完善材料的性能；培养和造就一批高层次的研究人才，形成1个在相关领域有国际影响的研究团队；申请发明专利3-10项。提供中国国防科技报告（GF报告）一项。通过吸收青年教师及研究生参加本项目的研究，培养一批青年人才，在项目实施期间培养博士2名以上。建议承担单位山东大学，清华大学，西安电子科技大学课题3：毫米波石墨烯场效应管制备技术研究课题研究目标及主要技术指标55 课题研究目标研究石墨烯电子器件载流子输运特性和器件理论，进行器件结构设计与仿真，建立高频石墨烯器件的理论模型；研究石墨烯器件制备的关键技术问题，包括：石墨烯图形的制备问题，石墨烯和SiC界面结构问题，石墨烯的结构缺陷对器件噪声等电学性能的影响等；突破石墨烯的欧姆接触、低损伤介质淀积等关键工艺技术；设计并制作结构新颖的毫米波低噪声石墨烯射频场效应晶体管。主要技术指标：研制石墨烯场效应晶体管：截止频率fT为100-300GHz；U波段典型的噪声系数为2-4dB。研究内容：SiC衬底上石墨烯器件设计结合SiC衬底上石墨烯材料的特性，设计合理的器件原型结构，原则上采用FET结构，能够从器件角度验证材料特性和体现材料优势。在金属/石墨烯电学接触，有效的可控掺杂，栅介质的形成，图形化技术以及刻蚀等具体工艺方面，石墨烯材料都有其独特之处。我们要开展针对关键工艺的研究，并在此基础上，针对设计的器件结构整合工艺流程，把关键工艺的研究成果体现在器件制备的过程中，从而为制备出性能优良的器件服务。研究材料特性与器件性能之间的关系，为材料制备和器件制造提供一定理论指导。石墨烯能带剪裁大面积本征石墨烯材料没有带隙，如下图所示，因此很难体现出良好的开关效应。引用双层石墨烯加垂直偏压配置，及石墨烯纳米带剪裁都可以在石墨烯中引入带隙。通过热分解法在4H-SiC(0001)硅面上生长的未经氢气气氛退火石墨烯薄膜，由于石墨烯缓冲层和衬底之间强烈的相互作用会产生一个0.26eV的带隙。角分辨光电子能谱（Angle-resolvedphotoemission55 spectroscopy，ARPES）分析表明这个带隙随着石墨烯的层数增多而减少，当石墨烯层数超过4层时这个带隙将会消失。因此精确控制石墨烯的层数对石墨烯FET器件的制作非常重要，目前HRL实验室和IBM采用SiC（0001）硅面生长的石墨烯薄膜材料，将FET器件开关比提高至10以上。但是SiC(0001)硅面生长的未经氢气氛退火的石墨烯薄膜载流子迁移率很低，要提高载流子迁移率必须对薄膜进行氢退火处理，进行氢退火工艺之后，该带隙会消失。因此需要考虑用其他方式引入带隙。大面积石墨烯薄膜（i），石墨烯纳米带（ii），无偏置双层石墨烯薄膜（iii）及加偏置石墨烯薄膜（iv）的能带示意图通过上图可以看出未加电压偏置的双层石墨烯没有带隙，但是可以通过在垂直方向施加电压来产生带隙，在（1-3）×107Vcm-1的电压下，带隙能够达到0.2-0.25eV。因此器件设计可以考虑通过双层石墨烯配置外加垂直方向的电压偏置来实现良好的夹断电流。通过将石墨烯薄膜剪裁成纳米带也可以引入带隙，该带隙能和石墨烯纳米带的宽度成反比。选择一个适合的方法引入带隙，是实现石墨烯FET器件优良开关效应的关键。石墨烯欧姆接触形成机理金属和石墨烯间良好的欧姆接触是实现高性能电子器件的关键，用ExtendedHückelTheory(EHT)模拟金属-石墨烯欧姆接触的量子传输机理；研究石墨烯的层数、晶格取向、缺陷等对欧姆接触的影响，研究金属功函数、金属淀积工艺条件、合金退火工艺等对欧姆接触特性的影响。石墨烯薄膜电学性能的介电增强技术石墨烯晶体管通常采用MIS结构，低损伤高质量的栅下介质是决定器件性能的关键。研究栅下介质的介电常数、淀积工艺等对器件性能的影响，研究介电材料对石墨烯载流子浓度、迁移率的调控技术。选用特定的有机或无机的高k介电材料，结合界面应变、各种栅结构(如顶栅、背栅、双栅、侧栅和环栅等)，利用55 介电材料对石墨烯原子层表面的电荷态、电声散射、表面应变等的影响，调制石墨烯电学性能，尤其载流子浓度和迁移率，实现石墨烯薄膜电学性能的介电增强技术。高性能石墨烯场效应晶体管制作技术石墨烯场效应晶体管的制作流程虽与常规半导体器件相似，但因材料特殊和尺寸微细，在工艺技术上存在许多障碍。如何提高石墨烯场效应晶体管的工作频率和优化器件开关性能是目前研究的重点。通过独特的器件结构设计和器件参数优化技术，并选择合适源漏电极、栅介质的材料，借助微/纳封装技术，选择合适衬底材料或设计独特的衬底结构，消除沟道与栅之间因寄生电容所致的高频信号馈通，从而实现高性能的射频场效应晶体管。下图是石墨烯效应晶体管制作的流程示意图。石墨烯FET的制作流程因材料特殊和尺寸微细，石墨烯FET器件制作在技术上存在许多障碍。目前，我们将重点研究以下两点：一、如何通过减小器件栅长提高石墨烯FET器件工作频率。二、石墨烯材料本身没有带隙如何对其进行能带修饰，使器件体现优秀的开关效应。毫米波器件的性能除了受材料的迁移率、电子饱和速度等物理参量决定以外，还受栅长等几何尺寸决定。缩短栅长是提高器件增益和工作频率最为有效的方法，但为了避免发生显著的短沟道效应，器件的栅长LG与沟道层深度a应满足LG/a>3。由于石墨烯沟道深度很浅，可以采用极小的栅长，获得非常高的截止频率。项目初期将采用接触式光刻系统进行器件的光刻，栅长为0.7µm，如果55 进一步提高器件的截止频率则必须使用电子束直写系统，将器件栅长缩短到0.25µm以下。由于栅长较细，栅极的截面积很窄，栅极在微波信号传输方向上的电阻较大。为了减小栅电阻，采用栅帽较大的T型栅来降低栅电阻。在片测试中的去嵌技术为了减小寄生参数的影响，石墨烯场效应器件的高频特性一般通过在片测试的方式获得。传统的在片测试方式中，一般通过校准的方法将S参数的参考面校准至探针尖，从而剥离掉电缆和探针的寄生参数。然而随着测试频率的升高，器件PAD引入的寄生已经不能忽略，此时必须采用去嵌技术（De-embedding）来去除PAD引入的寄生参数。另外，由于石墨烯场效应器件的管芯尺寸较小，高频下探针之间的耦合也不能忽略，因此需要设计特殊的测试PAD以便尽量减小探针之间耦合的影响。小信号模型提取本项目拟对石墨烯场效应器件的小信号模型进行研究，通过建立小信号模型来提取出器件的寄生参数，从而为器件设计者以及工艺人员改进器件设计和工艺流程提供参考。研究进度2012年：石墨烯器件电子输运研究；研究石墨烯的层数、缺陷、尺寸、形状等对电子和空穴输运特性的影响；石墨烯掺杂研究；石墨烯器件设计。2013年：石墨烯器件理论研究，石墨烯器件设计与仿真；石墨烯表征和器件关键工艺技术研究，主要包括欧姆接触、栅介质淀积、电子束写栅等工艺研究；实现高性能石墨烯场效应晶体管。2014年：石墨烯场效应晶体管研制，器件直流和微波性能测试，实现截至频率fT>50GHz。2015年：建立石墨烯场效应器件的小信号模型，提取器件的寄生参数，为改进器件设计和工艺流程提供指导。建立石墨烯场效应器件性能与材料、器件结构、器件工艺之间的关系，进一步提高器件性能，达到项目指标。55 成果形式建立石墨烯器件电子输运理论模型，完成单层和双层石墨烯能带结构计算和剪裁技术研究；研制石墨烯场效应晶体管：截止频率fT为100-300GHz；U波段典型的噪声系数为2-4dB；完成GF报告和项目技术总结报告；申请专利2-3项。建议承担单位中国电子科技集团公司第五十五研究所牵头，西安电子科技大学和清华大学参与。（二）经费预测金额单位：万元科目名称总预算一、经费支出28001、设备费520（1）购置设备费420（2）试制设备费0（3）设备改造与租赁费1002、材料费11503、测试化验加工费3004、燃料动力费2705、差旅费806、会议费307、国际合作与交流费508、出版/文献/信息传播/知识产权事务费509、劳务费22010、专家咨询费3055 11、管理费100二、经费来源28001、申请从专项经费获得的资助28002、自筹经费来源0（三）风险分析对国外先进的研究结果的借鉴表明，本项目具有理论方法的可行性，科学问题的前瞻性，以及研究安排的合理性。尤其是美国DARPA关于军事应用中石墨烯材料和器件的发展计划，更是表明本项目实施成功的可能性很大，当然所有科学研究都具有一定的风险，通过本项目全体研究人员的共同努力，力争把失败的风险降到最低。本项目的研究团队聚集了国内石墨烯和器件研究方面几个重要研究小组的人才，研究梯队年龄，学历，专业组成结构合理，具有丰富的研究经验和互补性。薛其坤院士在表面物理，材料制备有着深厚丰富的经验。在他的带领下，研究团队取得过许多重大的科学成果。研究团队还包括从代表国际石墨烯器件研究最高水平的IBM公司归国的海外精英。季帅华博士是清华大学最近从海外引进的人才，曾在美国IBM研究中心进行了石墨烯方面的研究。优秀的科研团队和先进的研究设备对完成石墨烯物理性质的研究和建立物理理论提供了坚实的基础。研究条件方面，各主要参加单位各具特色，在各自承担的研究内容领域都具有良好的软硬件条件。山东大学晶体材料国家重点实验室现有高性能服务器3台以及先进的Gaussian03、MaterialsStudio软件包等分子模拟软件，拥有较强大的并行计算资源。这些资源为理论计算工作顺利进行提供了保障。在材料制备方面，山东大学晶体材料国家重点实验室拥有完备的晶体生长、加工、缺陷等研究和表征手段。本项目所需的实验条件大部分已经具备，并能正常开展工作，如：差示扫描量热仪（DSC，PyrisDiamond）、热机械分析仪（TMA）、热重/差热分析仪（TG/DTA）、傅立叶变换红外-拉曼光谱仪（NEXUS670）、高分辨X射线衍射仪、原子力显微镜（AFM）、扫描电镜（SEM）、高分辨透射电子显微镜（HRTEM）等测试仪器，都可以用于研究工作。另一主要参加单位西安电子科技大学宽带隙半导体技术55 国防重点学科实验室，在半导体材料和器件的研究方面有很好的硬件条件和人才优势。拥有一条完整的小型半导体材料与器件研制工艺线和面积较大的超净间，其中有大于400m2的1000级超净间和20m2的100级超净的光刻间。实验室拥有先进的材料生长设备，有完整的半导体材料生长和器件研制的工艺线，具备了从外延、氧化、扩散、光刻、金属化到测试、封装等完整的器件工艺设备，拥有先进的器件特性分析和可靠性实验研究仪器和多种材料和半导体器件大型软件系统等。实验室拥有国内高校唯一一台从德国AIXTRON公司引进的EPIGRESSVP508碳化硅外延炉，为本项目的顺利开展提供了良好的保证。承担本项目器件方面主要研制工作的中国电科第五十五所是从事固态微波功率器件研制的国家重点骨干研究所，拥有可满足装备配套需求的0.25µmGaAs微波功率器件和MMIC研制生产线，包括电子束直写系统，电子束蒸发系统，热蒸发系统，进口反应离子刻蚀机，进口PECVD介质膜淀积系统等等。石墨烯FET器件结构和GaAsFET一样同属于场效应晶体管，其器件工艺也基本相似。石墨烯场效应晶体管的研制可充分利用现有的GaAs器件工艺线的工艺设备和工艺模块，以提高研究工作的效率。在器件测试分析方面，五十五所拥有完整的测试设备，包括：用于材料表面质量和缺陷表征的高强度汞灯、光学显微镜、原子力显微镜（AFM）和扫描电子显微镜（SEM）；用于材料迁移率测试的Bio-RadHall测试仪和晶体质量测试的X光衍射仪（XRD）。器件测试设备包括：用于半导体器件的金属和半导体的接触界面分析的聚焦离子束（FIB）分析仪；用于大功率器件在线测试的变温微波探针测试台；用于准确表征化合物半导体器件微波特性的毫米波测试系统；用于负载牵引法测试，对微波有源器件作RF大信号分析，进行功率器件的功率特性和非线性特性研究以及非线性模型验证用的微波大信号建模脉冲偏置控制系统。清华大学物理系低维量子物理国家重点实验室在物理基础理论和实验方面拥有雄厚的实力。拥有超高真空扫描隧道显微镜(STM)、角分辨光电子谱(ARPES)和低能电子衍射显微镜（LEED），可以对材料在超高真空中进行原位分析，研究材料的本征性质。这些设备对完成石墨烯性质的研究和基础理论的建立提供了坚实的硬件基础。综上所述，本项目的研究参加单位完全具备了开展研究的软硬件基础和研究条件。55 本项目各主要参加单位均属于国内开展石墨烯材料和器件研究较早的单位，因此在相关领域已经积累了较为丰富的研究经验和相关基础。山东大学晶体材料国家重点实验室有长期从事理论化学计算的经验，利用VASP、CASTEP、DMol3、CRYSTAL等模拟软件，在石墨烯材料的理论研究方面具有良好的基础。多年来一直从事非线性光学功能材料等方面的理论研究工作，取得了一些重要的研究成果，已在国内外学术刊物上发表论文40多篇。赵显教授曾作为负责人完成了国家自然基金项目《多光子吸收过程的理论研究》，在该项自然科学基金中，分别运用半经验的ZINDO程序以及从头算的DALTON程序对有机共轭分子的双、三光子吸收性质进行了研究。系统探索了电荷转移的强度以及转移方向对材料分子多光子吸收机制的影响，并将分子内部结构和内部电荷转移方式与材料分子的多光子吸收强度联系起来，基于从头算方法阐述了溶剂效应和电子振动耦合效应对多光子吸收性质的影响。部分研究工作已在《JournalofChemicalPhysics》，《JournalofMolecularStructure:THEOCHEM》，《JournaloftheoreticalandComputationalChemistry》，《中国科学B：化学》，《高等学校化学学报》等国内外核心刊物上发表，积累了大量研究经验。山东大学晶体材料国家重点实验室的SiC实验室通过总结大量宝贵的实验数据和实践经验，掌握了SiC单晶的生长和加工技术，可以提供国内最优质的SiC衬底。山东大学对SiC单晶生长的研究已经进行了十年多，在理论和试验上积累了丰富的直接经验。目前2英寸SiC单晶的微管密度可小于10个/cm2，半绝缘单晶的电阻率大于1x105欧姆·cm；攻克了超高硬度的SiC单晶的加工技术，实现了单晶加工的切磨抛一条龙，并达到衬底“开盒即用”的包装要求。同时还制备了2-6英寸国产SiC单晶炉，在自制的单晶炉上生长出了3英寸SiC单晶。在半绝缘SiC衬底上成功制作了GaN微波功率器件，8GHz频率下HEMT单胞器件连续波饱和输出功率达到20W，三胞器件连续波输出功率达到了64.6W，得到了国防973项目组的好评。因此在SiC衬底上生长石墨烯已具备得天独厚的技术和基础条件，能够满足本项目要求完成的指标。目前实验室已成功制备出小面积的单层石墨烯，具备一定的技术基础。五十五所对石墨烯器件的研究具有一定基础。栅长对微波毫米波器件的性能有决定性影响，追求更小的栅长是微波毫米器件发展的重要方向之一。五十五55 所在电子束光刻方面有着丰富的经验积累和坚实的技术基础。对电子束直写技术的曝光过程及相关的机理等基础问题有深入的认识，研究了PMMA胶、P(MMA-AAM)胶、PMGI胶、光化学放大胶的图形形成特点，掌握了临近效应、电荷积累效应与图形尺寸的影响关系，发现了在栅成形过程中抑制两种负效应的方法。微波器件需要更细的栅长的同时，需要保持同样小的栅阻，这是光刻技术在化合物器件研制过程中的主要挑战，55所在该方面的研究具有独特的优势。目前，五十五所自主开发的0.25μm，0.15μm，90nm的T型栅技术已经成功应用于微波毫米波单片和器件的研制当中。西安电子科技大学除自身在石墨烯材料制备和表征方面积累了丰富的经验以外，还与西北工业大学微/纳米技术陕西省重点实验室在人才交流，器件工艺和测试合作方面建立了长期合作关系，形成了优势互补，与中国电子科技集团13所，55所，46所，中科院微电子所，半导体所，物理所等单位也建立了良好的合作关系，在材料生长测试，器件制造等方面可以对本项目的实施提供有力的支持。但是，石墨烯是新兴的材料，其二维材料特性带来了不同于体材料的新的工艺和设计问题，如超薄层的欧姆接触制备、低损伤介质沉积、器件开关比差、寄生参量大等；根据石墨烯独特的物理特性，需要新的设计思路，开发新的工艺技术，这些为完成本课题带来了不确定风险。综上所述，从技术路线、软硬件条件、研究基础和研发团队几个方面均能保证该项目的顺利实施，另外加上政策的正确引导，完全有能力完成本项目的技术指标。五、与相关计划的关系中国电子科技集团公司第五十五研究所已承担了相关预研课题，主要进行石墨烯及其场效应晶体管器件的基础工艺探索，是本项目的前期器件基础研究，可为本项目的顺利实施奠定良好的基础。中科院物理所陈小龙研究员担任首席的民口973项目《石墨烯的可控制备、物性与器件研究》侧重于石墨烯材料的掺杂和化学修饰功能化，基本物性探测和调控以及非电子器件的应用，该项目与本项目研究的侧重点不同。国家科技重大专项中进行石墨烯研究的项目包括了石墨烯材料的各种制备方法，关于器件的研究注重55 基础，侧重于全面整体的平台建立，而本项目目标明确突出，材料方面重点侧重于大尺寸晶圆级石墨烯材料的制备，器件方面应用背景明确，研究目标清晰，直接为未来军事斗争服务。本项目计划从理论、材料及器件三个方面对石墨烯相关技术开展深入的研究。研究内容包括：研究石墨烯的表面形貌、原子结构及其电学性能，揭示载流子在二维石墨烯材料中的电学输运规律；通过探索石墨烯的形成机理，研究晶圆级石墨烯的制备技术；突破石墨烯器件的设计、制备以及测试技术。六、应用前景分析石墨烯的超高电子迁移率和极高的热导率的优良特性，在毫米波、亚毫米波乃至太赫兹器件、超级计算机等方面具有重大的应用前景。石墨烯晶体管成本较低，可以在标准半导体生产过程中表现出优良的性能，为石墨烯芯片的商业化生产提供了方向。基于石墨烯沟道的超高速、超低噪声、超低功耗的场效应晶体管及其集成电路，有望突破当前高频电子器件的高成本、低分辨率及高功耗的瓶颈，为开发高性能雷达系统、高频宽带通信技术、新型高分辨成像技术、超级计算机技术提供新的思路和解决方案。这些系统应用于军事装备，可以大大提高我军在3mm波段的电子对抗、通信、雷达系统的水平，实现我们信息化和自动化的新的跨越。石墨烯的超高电子迁移率，在毫米波、亚毫米波乃至太赫兹器件、超级计算机等方面具有重大的军事与民用前景，可望突破当前高频电子器件的高成本、低分辨率及高功耗的瓶颈，为开发新型高分辨成像技术、高性能雷达系统、高频宽带通信技术、超级计算机技术提供新的思路和解决方案。七、政策措施在国家政策方面，为加强国家安全重大基础研究工作，规范国家安全重大基础研究，各部委制定了相关政策。主要侧重于制约装备发展和科技进步的重大问题以及前沿探索、创新研究的重大问题。本项目的研究具有重大军事应用前景，力求对提高我国的综合国力以及军队装备水平具有积极的推动作用。本项目从理论模拟、材料制备、器件工艺与制作三个层面开展全面工作，力求对中国军事装备的发展起到积极的推动作用。各家研究单位均设立了相关的工作和管理部门，并相应总装备部的文件精神制定了相关政策，专项专管。各单位成立了技术研发小组，各研究单位之间相互反馈和优化。力求政策引导与技术研发齐头并进，积极完成该项目的研究目标和任务。55 本着“优势互补、强强联合、产学研结合、互惠互利、共同发展”的原则，山东大学积极与中国电科第十三研究所、中国电科第五十五研究所开展产学研合作，融基础研究、技术开发、规模生产于一体，把科研开发、成果转化和高技术产业结合起来，教育、人才、科技优势互补，促进了学术创新和技术创新的有机融合和产学研全面结合，在具有特色的产、学、研结合的道路上，推动知识创新，推动科学技术成果向生产力的转化，促进教育、科技、经济领域的共同协调发展。山东大学对该项目非常重视，建立了由分管校长负责、学校科技处和军工研究院等单位协调的条件保障机制；课题组长为直接责任人；本校及其他单位已获得军工保密资质认证、生产许可证和质量认证；主要技术由教授、副教授、高级试验师具体负责，重要问题和解决方案集体讨论决定；按照“国军标”的要求建立工作制度。八、项目论证组成员55 姓名性别专业技术职务专业单位作用每年工作时间(月)赵显男教授化学山东大学首席科学家6郝跃男教授微电子学西安电子科技大学课题负责人6徐现刚男教授材料学山东大学学术骨干7薛其坤男教授物理学清华大学/中科院物理研究所6陈秀芳女讲师材料学山东大学课题负责人10陈辰男高工微电子学与固体电子学中国电子科技集团公司第五十五研究所课题负责人4张玉明男教授微电子学西安电子科技大学课题负责人6季帅华男助理教授物理学清华大学学术骨干10樊唯镏男副教授化学山东大学课题负责人10柏松男高工材料物理中国电子科技集团公司第五十五研究所学术骨干10孔月婵女高工微电子学与固体电子学中国电子科技集团公司第五十五研究所学术骨干655 陆海燕女助工微电子学中国电子科技集团公司第五十五研究所学术骨干3陈刚男高工微电子学与固体电子学中国电子科技集团公司第五十五研究所学术骨干6李赟男工程师凝聚态物理中国电子科技集团公司第五十五研究所学术骨干6李理男助工微电子学中国电子科技集团公司第五十五研究所学术骨干4霍帅男助工微电子学中国电子科技集团公司第五十五研究所3魏汝省男博士生物理学山东大学学术骨干10崔潆心女硕士生物理学山东大学学术骨干10梁庆瑞男硕士生材料学山东大学学术骨干10李妍璐女博士生材料学山东大学学术骨干10孙宏刚男博士生材料学山东大学学术骨干1055 常凯男博士生物理学清华大学学术骨干10邓鹏男博士生物理学清华大学学术骨干10丁浩男博士生物理学清华大学学术骨干10郑天宁男博士生物理学清华大学学术骨干10常凯男博士生物理学清华大学学术10邓鹏男博士生物理学清华大学学术骨干10丁浩男博士生物理学清华大学学术骨干10郑天宁男博士生物理学清华大学学术骨干10李志男博士生物理学中科院物理研究所学术骨干10郭辉男副教授微电子学西安电子科技大学学术骨干10王东男副教授微电子学西安电子科技大学学术骨干10张进成男教授微电子学西安电子科技大学学术骨干10贾仁需男讲师微电子学西安电子科技大学学术骨干1055 王悦湖男讲师微电子学西安电子科技大学学术骨干10贾仁需男副教授微电子学西安电子科技大学学术骨干10王党朝男博士生微电子学西安电子科技大学学术骨干10部分课题人员介绍赵显：男，教授，博士生导师。1991年毕业于山东大学光学系，同年进入山东大学化学系理论化学专业攻读硕士学位，于1995年师从邓从豪院士继续攻读博士学位，1998年取得博士学位后，进入山东大学晶体材料研究所材料学流动站做博士后研究工作，合作导师为蒋民华院士；2000年8月出站后，继续在晶体材料国家重点实验室工作，现任晶体材料国家重点实验室副主任。主要研究领域包括材料学、量子化学。在基础理论研究方面，应用超球坐标理论精确求解H2分子体系的薛定鄂方程，以期得到波函数的解析表达式，从而探索从根本上解决量子力学多体问题的重大理论突破的可能性；先后应用李群李代数方法和sum-over-state方法来研究分子体系的二阶三阶非线性光学性质，独立编写了相关的计算程序，为探索强双光子吸收材料提供理论依据，并逐步拓展到应用响应函数理论来研究圆二色光谱性质等方面；与晶体材料国家重点实验室纳米材料制备探索紧密结合，开展了纳米晶体相变及生长动力学方面的前期研究。发表高水平学术论文50余篇。在本项目中总体负责方案设计及理论模型的建立。徐现刚：教育部长江计划特聘教授，杰出青年基金获得者，美国物理学会会员，55 博士生导师。1992年毕业于山东大学，师从蒋民华院士，获博士学位。1995年获德国洪堡奖学金的资助去德国进修，九五期间先后在德国、加拿大和美国高技术公司工作。作为主要完成人，在德国期间参加了欧共体项目：采用新型源材料的金属有机化学气相沉积(MOCVD)薄膜材料的制备；加拿大重大基金项目：新一代超高速晶体管器件的研究及长寿命大功率半导体激光器的制备工作；在美国期间，任公司的技术部经理，完成了超高亮度可见光发光二极管外延材料的研发与规模生产。回国后，获2000年度国家杰出青年自然科学基金资助，作为主要技术负责人，完成了国家计委产业化前期关键技术项目“半导体发光器件外延材料与管芯技术”，并获山东省科学进步一等奖。2001年承担国家863项目“大尺寸半导体SiC单晶衬底材料”，2004年获得滚动支持，该项目2005年底结题，所生长的SiC单晶的主要技术指标超过课题要求，顺利完成研究计划。2006年承担了国家863项目“SiC单晶衬底制备”，该课题提前验收，并超额完成任务。2009年，承担了国家科技重大专项项目“半绝缘SiC单晶衬底材料”，并顺利通过了比测验收。研究工作在国内外有较大影响，先后获英国工程师协会(IEE)颁发的1998年电子快报最佳论文奖，1999年美国工程师协会（IEEE）主办的GaAs集成电路国际会议杰出论文奖。回国后申请发明专利20余项，在国内外主要刊物上发表论文100多篇。55