石墨烯的性質(zhì)及其發(fā)展

1、一、概述(一)基本概念與內(nèi)涵 石墨烯概念石墨烯是由單層sp2雜化碳原子組成的六方點(diǎn)陣蜂窩狀二維結(jié)構(gòu)，包含兩個(gè)等價(jià)的子晶格A和B。它的單層厚度為0.35 nm, C-C鍵長(zhǎng)為0.142 nm,其獨(dú)特 的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)使之具有不同于其它材料的優(yōu)良性能。石墨烯是一種零帶隙半導(dǎo)體材 料，超高的載流子遷移率，是商用Si材料遷移率的140倍，達(dá)到200000cm2/V，s, 高于目前已知的任何半導(dǎo)體材料。在典型的100nm通道晶體管中，載流子在源和漏之間傳輸只需要0.1ps,因此可應(yīng)用于超高頻器件，為提供一種擴(kuò)展HEMT頻率到THz成為可能。在石墨烯上，整流柵電極可以相隔幾納米放置，這樣溝 道更短而且傳輸更快。

2、導(dǎo)熱性能優(yōu)良，熱導(dǎo)率是金剛石的3倍，達(dá)到5000 W/mK; 超大的比表面積，達(dá)到 2630m2/g；此外，它非常堅(jiān)硬，強(qiáng)度是鋼的 100多倍， 達(dá)到130 GPa研究人員甚至將石墨烯看作是硅的替代品，能用來(lái)生產(chǎn)未來(lái)的超級(jí)計(jì)算機(jī)材料熱導(dǎo)率(W/cmK)電子遷移率2(cm /Vs)飽和電子漂移速度 (X07cm/s)Si1.512001.0InP0.684600SiC4.96002.0GaN1.515002.7Graphene5020000010有關(guān)專家認(rèn)為，石墨烯很可能首先應(yīng)用于高頻領(lǐng)域，是超高功率元器件的潛質(zhì)材料。石墨烯特殊的結(jié)構(gòu)，使其具有完美的量子隧道效應(yīng)、 半整數(shù)的量子霍 爾效應(yīng)、從不消

3、失的電導(dǎo)率等一系列性質(zhì)，引起了科學(xué)界巨大興趣，掀起了一股 研究的熱潮。安德烈 海姆和康斯坦丁 諾沃肖洛夫因其在石墨烯二維材料方面的 原創(chuàng)性杰出工作被授予2010年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。石墨烯和主要半導(dǎo)體材料的遷移率盡管長(zhǎng)期以來(lái)物理學(xué)界普遍認(rèn)為嚴(yán)格的2D晶體在自由狀態(tài)下不可能存在（熱擾動(dòng)使原子在第三個(gè)維度上的漲落大于品格常量，2D晶體熔化），但是關(guān)于Graphene的理論工作一直在進(jìn)行。 早在1947年P(guān) .R.Wallace通過(guò)理論計(jì)算 給出了 Graphene的能帶結(jié)構(gòu)，并以此為基礎(chǔ)構(gòu)建石墨（graphite）,獲得了關(guān)于晶 格中電子動(dòng)力學(xué)信息，預(yù)言了 Graphene中相對(duì)論現(xiàn)象的存在。雖然當(dāng)時(shí)

4、人們并 不相信二維晶體的存在，但是Wallace的工作對(duì)于石墨的研究起了引導(dǎo)性的作用。石墨（graphite）作為一種半金屬性（semi metal）材料，在布里淵區(qū)邊界能帶發(fā) 生交疊，使電子能在層與層之間傳輸，當(dāng) graphite的層數(shù)減少到僅有單層 （Graphene時(shí)，能帶變?yōu)閱吸c(diǎn)交疊的方式（如下圖（a）所示）,而且由電子完全占據(jù)的價(jià)帶和由空穴完全占據(jù)的導(dǎo)帶對(duì)于這些交疊點(diǎn)（K和K'）完全對(duì)稱。（a）ffl論計(jì)算給出的Graphene的能帶結(jié)構(gòu)，在狄拉克點(diǎn)處，能帶發(fā)生交疊；（b） 低能量處（狄拉克點(diǎn)附近）的能帶結(jié)構(gòu)采用圓錐形近似，具有線性近似。單層Graphene中電子在高對(duì)稱性的

5、晶格中運(yùn)動(dòng)，受到對(duì)稱晶格勢(shì)的影響， 有效質(zhì)量變?yōu)榱悖礋o(wú)質(zhì)量粒子）。這種無(wú)質(zhì)量粒子的運(yùn)動(dòng)由狄拉克方程而非傳 統(tǒng)的薛定詩(shī)方程描述。由狄拉克方程給出新的準(zhǔn)粒子形式（狄拉克費(fèi)密子），能帶的交疊點(diǎn)K和K'點(diǎn)也被稱為狄拉克點(diǎn)。在低能處（K和K'點(diǎn)附近），能帶可以用錐形結(jié)構(gòu)近似（見(jiàn)上圖（b）,具有線性色散關(guān)系。在狄拉克點(diǎn)附近， 準(zhǔn)粒子哈密頓量形式為：其中6為二維自旋泡利矩陣，k為準(zhǔn)粒子動(dòng)量，VF =106m / s為費(fèi)米速度，近似為光速的1 /300,該哈密頓量給出的色散關(guān)系為 E = |hk|vF。值得注意 的是Graphene中能量E與動(dòng)量k間為線性關(guān)系，使得單層 Graphene表現(xiàn)

6、出許 多不同于其他傳統(tǒng)二維材料的特性。在狄拉克點(diǎn)處（K和K'等），波函數(shù)屬于 兩套不同的子品格，需要用兩套波函數(shù)描述，類似于描述量子力學(xué)中的自旋態(tài) （向上和向下）的波函數(shù)，因此稱為鷹自旋。由于準(zhǔn)粒子采用“ 2 + 1”維低能狄拉克方程描述，模擬量子電動(dòng)力學(xué)表述，在Graphene中引入手性。手性和鷹自旋是Graphene中兩個(gè)重要參量，正是由于手性和鷹自旋的守恒，使 Graphene 出現(xiàn)了許多新奇的性質(zhì)。對(duì)于雙層Graphene哈密頓量為：可以看出，此哈密頓量雖然不是嚴(yán)格的狄拉克形式，但是只有非對(duì)角項(xiàng)不為 零，具有較特殊的形式，類似單層石墨中的哈密頓量形式，仍然給出的是一種準(zhǔn) 粒子。

7、這種準(zhǔn)粒子同樣具有手性，但是有效質(zhì)量不為 0, m0.05mo （m0為電子 質(zhì)量）。雙層Graphene的結(jié)構(gòu)和低能量處的能帶如下圖 （a）所示，雙層Graphene 不再具有線性色散關(guān)系，而是近似拋物線狀能帶結(jié)構(gòu)，如下圖 （b）所示。（a）雙層Graphene結(jié)構(gòu)示意圖與低能量處的能帶圖；（b）理論計(jì)算能帶圖，導(dǎo)帶 （價(jià)帶）中能量較高（較低）的子能帶未畫(huà)出。在低能量處，色散關(guān)系不再滿足線性關(guān)系，而是拋物線形式。石墨烯作為理想的二維材料，說(shuō)它是所有石墨碳元素結(jié)構(gòu)形態(tài)的基礎(chǔ)也不為過(guò)，它可以包裹起來(lái)形成零維的富勒烯， 卷起來(lái)形成一維的碳納米管，也可層 層堆積形成三維的石墨，石墨烯的能帶結(jié)構(gòu)在理論

8、上已經(jīng)被研究了幾十年，它可 以認(rèn)為是一種零禁帶半導(dǎo)體材料，能帶交疊為一點(diǎn)，而且由電子完全占據(jù)的價(jià)帶 和由空穴完全占據(jù)的導(dǎo)帶關(guān)于這些交疊點(diǎn)（K和K'）完全對(duì)稱。在K和K '點(diǎn)附 近，石墨烯中的電子由于受到周圍對(duì)稱晶格勢(shì)場(chǎng)的影響，電子的有效質(zhì)量變?yōu)?,傳統(tǒng)的描述電子運(yùn)動(dòng)的薛定詩(shī)方程被狄拉克 （Dirac）方程所取代，因此K和K'點(diǎn) 也被稱為狄拉克點(diǎn)。在狄拉克點(diǎn)處，需要用兩套波函數(shù)來(lái)描述兩套的子晶格， 類 似于描述量子力學(xué)中的自旋的波函數(shù)， 因此稱為鷹自旋。在狄拉克點(diǎn)附近，能量 與波矢成線性的色散關(guān)系E = | hk | vf,費(fèi)米速度是光速的1/300,呈現(xiàn)相對(duì)論的 特性，

9、因此石墨烯為我們研究量子電動(dòng)力學(xué)現(xiàn)象提供了最直接的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。模擬量子電動(dòng)力學(xué)表述，可以在石墨烯中引入手性。手性和鷹自旋是石墨烯的兩個(gè)重 要參量，正是由于手性和震自旋導(dǎo)致的簡(jiǎn)并，使石墨烯出現(xiàn)了許多新奇的性質(zhì)。石墨烯作為一種半金屬材料，內(nèi)部載流子濃度高達(dá) 1013cm-2。實(shí)驗(yàn)表明，石 墨烯的遷移率幾乎與溫度無(wú)關(guān)，即使在室溫下遷移率也主要受雜質(zhì)或缺陷的影 響，所以可以通過(guò)提高晶體質(zhì)量來(lái)提高載流子的遷移率。最近，理論和實(shí)驗(yàn)均已證實(shí)石墨烯具有雙極場(chǎng)效應(yīng)，通過(guò)門電壓的調(diào)制，它的載流子可以在電子和空穴 間連續(xù)地過(guò)渡，使其顯現(xiàn)出n型、p型特性。由于石墨烯特殊的晶體結(jié)構(gòu)和能帶 結(jié)構(gòu)，通過(guò)控制其幾何構(gòu)型及邊緣的

10、手性可以使其呈現(xiàn)金屬或半導(dǎo)體特性。石墨烯在室溫條件下也可以觀察到它的量子霍爾效應(yīng)，這與通常的半導(dǎo)體、金屬材料 完全不同。不過(guò)，石墨烯的電子輸運(yùn)不符合薛定詩(shī)方程的描述，而符合狄拉克相對(duì)論方程，所以其量子霍爾效應(yīng)異于傳統(tǒng)的二維電子氣體：?jiǎn)螌邮┑牧孔踊?爾效應(yīng)的量子序數(shù)相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)的量子霍爾效應(yīng)的量子序數(shù)移動(dòng)了1/2,而雙層石墨烯的量子霍爾效應(yīng)相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)的量子霍爾效應(yīng)丟失了量子序數(shù)為0的第一個(gè)平臺(tái)在凝聚態(tài)物理領(lǐng)域，材料的電學(xué)性能常用薛定詩(shī)方程描述。而石墨烯的電子與蜂窩狀晶體周期勢(shì)的相互作用產(chǎn)生了一種準(zhǔn)粒子，A.Qaiumzadeht等根據(jù)GW近似值計(jì)算了石墨烯在無(wú)序狀態(tài)下在朗道費(fèi)米子液體內(nèi)的準(zhǔn)粒子

11、特性，即零質(zhì)量的狄拉克-費(fèi)米子(mass less Dirac Fermions)具有類似于光子的特性，在低 能區(qū)域適合于采用含有有效光速(vF=106m/s)的(2+1)維狄拉克方程來(lái)精確描述。因 此，石墨烯的出現(xiàn)為相對(duì)論量子力學(xué)現(xiàn)象的研究提供了一種重要的手段。在石墨烯的電學(xué)性能研究中發(fā)現(xiàn)了多種新奇的物理現(xiàn)象，包括兩種新型的 量子霍爾效應(yīng)(整數(shù)量子霍爾效應(yīng)和分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng))，零載流子濃度極限下 的最小量子電導(dǎo)率，量子干涉效應(yīng)的強(qiáng)烈抑制及石墨烯 p-n結(jié)界面的電流匯聚特 性等，石墨烯表現(xiàn)出異常的整數(shù)量子霍爾行為，其霍爾電導(dǎo)=2e2/h, 6e2/h, l0e2/h為量子電導(dǎo)的奇數(shù)倍，且可以在

12、室溫下觀測(cè)到。這個(gè)行為已被科學(xué)家解釋為“電 子在石墨烯里遵守相對(duì)論量子力學(xué)，沒(méi)有靜質(zhì)量(massless electron、。2007年，先后3篇文章聲稱在石墨烯的p-n或p-n-p結(jié)中觀察到了分?jǐn)?shù)量子霍爾行為。理 論物理學(xué)家已經(jīng)解釋了這一現(xiàn)象。石墨烯的合成方法主要有微機(jī)械分離法、取向附生法、化學(xué)分散法、加熱 SiC法等。最普通的是微機(jī)械分離法，直接將石墨烯薄片從較大的晶體上剪裁下來(lái)。2004年，K.S.Novoselov, A.K.Geim等人通過(guò)使用簡(jiǎn)單的膠帶解理體石墨，輕 松地獲得了單層自由狀態(tài)的Graphene Novoselov等利用膠帶將石墨逐漸撕薄，在得到的小片石墨薄層的邊緣出現(xiàn)

13、單層、雙層、三層等Graphene薄片，采用傳統(tǒng)光刻工藝，可以將Graphene分離，得到自由狀態(tài)的 Graphene恥下圖)。目前, 在大部分有關(guān)Graphene的研究中，使用的樣品是采用此類方法制備。Graphene薄膜(a)光學(xué)顯微鏡下觀測(cè)到的大尺度的 Graphene薄片；(b)在薄片邊 緣的 AFM圖像，2m X2m； ( c)單層Graphene的AFM圖像，深棕色為SiO2基底，棕紅色為單層 Graphene取向附生法是利用生長(zhǎng)基質(zhì)原子結(jié)構(gòu)“種”出石墨烯，首先讓碳原子在 1150c下滲入釘，然后冷卻到850c后，之前吸收的大量碳原子就會(huì)浮到釘表面， 鏡片形狀的單層的碳原子“孤島”

14、布滿了整個(gè)基質(zhì)表面，最終它們可長(zhǎng)成完整的 一層石墨烯。采用這種方法生產(chǎn)的石墨烯厚度不均勻，且石墨烯和基質(zhì)之間的黏合會(huì)影響碳層的特性?；瘜W(xué)分散法是將氧化石墨與水以1mg/ml的比例混合，用超聲波振蕩至溶液 清晰無(wú)顆粒狀物質(zhì)，加入適量肥在100c回流24h,產(chǎn)生黑色顆粒狀沉淀，過(guò)濾、 烘干即得石墨烯。加熱SiC法是通過(guò)加熱單晶SiC襯底脫除Si,在表面上分解出石墨烯片層。 具體過(guò)程是：將經(jīng)氫氣刻蝕處理得到的樣品在高真空下或氣氛下加熱，表層硅原子升華，碳原子重構(gòu)生成石墨烯。該法被人們認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)石墨烯在集成電路中應(yīng) 用的最有希望的途徑之一。在 SiC襯底表面上生長(zhǎng)的石墨烯有很多優(yōu)勢(shì)。其中就襯底而言，S

15、iC是寬禁帶半導(dǎo)體，可以是很好的半絕緣襯底，SiC襯底熱導(dǎo)率高，散熱好。經(jīng)過(guò)幾十年的研究和發(fā)展，SiC已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于電子學(xué)、MEMS等領(lǐng)域。作為一個(gè)被人們廣泛研究并應(yīng)用的材料，人們對(duì)它已經(jīng)有比較完善的了解，并發(fā)展了相關(guān)的半導(dǎo)體加工工藝，因此在SiC表面上生長(zhǎng)的石墨烯可比較容 易地實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體器件應(yīng)用。與其他方法相比，在SiC襯底表面上生長(zhǎng)的石墨烯在 很多方面具有更高的質(zhì)量，這種材料非常的平，其主要形貌由下面的SiC襯底的 臺(tái)階決定。SiC襯底上生長(zhǎng)的石墨烯可以在整個(gè)晶片上利用傳統(tǒng)的光刻和微納米 加工技術(shù)進(jìn)行器件或電路的刻蝕，可直接利用已有的SiC生產(chǎn)工藝實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生 產(chǎn)，因而在微納電子器件和大

16、規(guī)模集成邏輯電路領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用前景，SiC上生長(zhǎng)的晶圓級(jí)石墨烯是目前為止最有希望取代晶體硅的材料。石墨烯由于以下四個(gè)方面的原因而引起人們的興趣 ：(1) Graphene中無(wú)質(zhì)量的相對(duì)論性準(zhǔn)粒子(狄拉克費(fèi)密子)由狄拉克方程描 述，在凝聚態(tài)物理與量子電動(dòng)力學(xué)之間架起一座橋梁；(2)兩種新的量子霍爾效應(yīng)、室溫彈道輸運(yùn)、弱局域化、電聲子相互作用等， 為基礎(chǔ)物理的研究提供模型；(3)其他石墨類材料(0維巴基球、1維碳納米管、3維體石墨)的性質(zhì)來(lái)源于2 維的Graphene因此Graphene的研究不僅可以對(duì)以上材料特性給出補(bǔ)充性的解 釋，反過(guò)來(lái)又可以借鑒以上材料研究結(jié)果來(lái)發(fā)展Graphene(4)

17、優(yōu)異的電學(xué)、磁學(xué)等性質(zhì)，使得Graphene將在納米電子學(xué)、自旋電子學(xué) 等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用?；谑┑膱?chǎng)效應(yīng)管概念場(chǎng)效應(yīng)管(FET)是一種具有pn結(jié)的正向受控作用的有源器件，它是利用電 場(chǎng)效應(yīng)來(lái)控制輸出電流的大小，具輸入端 pn一般工作于反偏狀態(tài)或絕緣狀態(tài)， 輸入電阻很高，柵極處于絕緣狀態(tài)的場(chǎng)效應(yīng)管，輸入阻抗很大。目前廣泛應(yīng)用的 是SiO2為絕緣層的絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管，稱為金屬-氧化物-半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管，簡(jiǎn)稱 MOSFETo以功能類型劃分，MOSFET分為增強(qiáng)型和耗盡型兩種，其中耗盡型 與增強(qiáng)型主要區(qū)別是在制造SiO2絕緣層中有大量的正離子，使在 P型襯底的界 面上感應(yīng)出較多的負(fù)電荷，即在兩個(gè) N

18、型區(qū)中間的P型硅內(nèi)形成一層N型硅薄 層而形成一個(gè)導(dǎo)電溝道，所以在 Vgs= 0時(shí)，有Vds作用時(shí)也有一定的Id(Idss)； 當(dāng)Vgs有電壓時(shí)(可以是正電壓或負(fù)電壓)，改變感應(yīng)的負(fù)電荷數(shù)量，從而改變Id 的大小。Vp為Id = 0時(shí)的-Vgs,稱為夾斷電壓。MOSFET的特點(diǎn)是用柵極電壓來(lái)控制漏極電流。隨著微電子集成化的需要 越來(lái)越高，F(xiàn)ET器件的尺寸也越來(lái)越小，而普通 FET器件散熱性受材料本身限 制很難有進(jìn)一步的提高，石墨烯由于其優(yōu)良的熱導(dǎo)率制作出的FET器件“完美”的解決該問(wèn)題。自從場(chǎng)效應(yīng)管發(fā)明以來(lái)，人們一直嘗試將電場(chǎng)效應(yīng)應(yīng)用到金屬材料上，制 造金屬基場(chǎng)效應(yīng)管。利用金屬制造晶體管不僅可以

19、將尺度做小，而且可以降低功 耗，并且使用頻率高于傳統(tǒng)半導(dǎo)體.但是由于金屬屏蔽效應(yīng)，電場(chǎng)在金屬中的穿 透深度小于1nm,因此制造金屬晶體管時(shí)需要使用原子級(jí)厚度的金屬薄膜。但 是由于熱動(dòng)力學(xué)原因，當(dāng)金屬薄膜達(dá)到納米級(jí)別時(shí)不能穩(wěn)定存在。另外，對(duì)于金 屬而言，電場(chǎng)效應(yīng)誘導(dǎo)的載流子濃度一般不會(huì)超過(guò)1013cm：比納米尺度的金屬薄膜中的本征載流子濃度低幾個(gè)量級(jí)(近似可以忽略)，通過(guò)電場(chǎng)效應(yīng)很難實(shí)現(xiàn) 調(diào)制載流子濃度，因此利用金屬制造晶體管一直沒(méi)有實(shí)現(xiàn)。半金屬Graphene不僅具有高載流子濃度和載流子遷移率，亞微米尺度的彈 道輸運(yùn)特性和電場(chǎng)調(diào)制載流子特性，而且可以在室溫下穩(wěn)定存在，為 Graphene 的實(shí)

20、用化奠定了基礎(chǔ)。利用 Graphene制造的晶體管可以實(shí)現(xiàn)低功耗、高頻率、 小型化等特性。由于 Graphene是半金屬性材料 (semi- metal),在狄拉克點(diǎn)處 能帶交疊，沒(méi)有帶隙，因此很難實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)特性。為了使Graphene可以應(yīng)用于晶體管的制造，通過(guò)各種方法在 Graphene中形成帶隙：(1)通過(guò)對(duì)稱性碳缺場(chǎng)或相互作用等使 Graphene簡(jiǎn)并度降低，朗道能級(jí)發(fā) 生劈裂，在導(dǎo)帶與價(jià)帶之間引入能隙。這方面工作目前主要集中在雙層 Graphene 上，通過(guò)摻雜、外加電場(chǎng)以及基底作用誘導(dǎo)等方式引入對(duì)稱被缺，實(shí)現(xiàn)人工調(diào)制能隙。（2）對(duì)于弱無(wú)序體系，被弱屏蔽的庫(kù)侖相互作用可以改變帶粒子圖景

21、，使 Graphene出現(xiàn)能隙（量子霍爾鐵磁）。（3）通過(guò)尺寸效應(yīng)或量子受限 （如Graphene nanoribbonS引入能隙。Barone 等人通過(guò)密度泛函計(jì)算預(yù)言，對(duì)于手性納米帶，導(dǎo)帶與價(jià)帶間的帶隙隨著手性角 的變化發(fā)生振蕩。對(duì)于某些類型的 Graphene納米帶，通過(guò)調(diào)節(jié)納米帶寬，也可 以實(shí)現(xiàn)對(duì)帶隙寬度的調(diào)節(jié)（能隙與納米帶寬之間存在反比關(guān)系）。本項(xiàng)目將結(jié)合我們的研究?jī)?yōu)勢(shì)對(duì)石墨烯開(kāi)展深入系統(tǒng)的特色研究，從理論 模擬、材料制備、器件制作三個(gè)層面開(kāi)展全面工作， 力求對(duì)中國(guó)軍事的發(fā)展起到 積極的推動(dòng)作用。本項(xiàng)目針對(duì)石墨烯這一新物質(zhì)形態(tài)的關(guān)鍵問(wèn)題及前沿發(fā)展動(dòng) 態(tài)，結(jié)合我們自身的工作基礎(chǔ)，以大面

22、積、高質(zhì)量石墨烯材料的可控制備為主要 突破口，以石墨烯基超高頻器件 MOSFET應(yīng)用為導(dǎo)向，最終制備出具有一定功 能的電路模塊。強(qiáng)調(diào)理論、材料和器件之間的互相促進(jìn)與合作， 有針對(duì)性地對(duì)石 墨烯的若干基本科學(xué)問(wèn)題開(kāi)展研究， 例如：探索高質(zhì)量石墨烯的可控、晶圓級(jí)制 備方法；測(cè)量其電、光、熱、力學(xué)等宏觀特性和局域性能，研究結(jié)構(gòu)與物性的關(guān) 聯(lián)；研制基于石墨烯的超高頻 MOSFET器件和功能電路等，力求對(duì)中國(guó)軍事裝 備特別是下一代武器用超高頻元器件的發(fā)展起到積極的推動(dòng)作用。（二）軍事需求分析從上世紀(jì)80年代初起，美國(guó)國(guó)防部尖端技術(shù)研究規(guī)劃署（DARPA）、國(guó)家航 空和宇航局（NASA）一直重點(diǎn)進(jìn)行毫米波

23、固態(tài)器件和電路的研究，已經(jīng)取得了令 人矚目的成果，已應(yīng)用于新型武器裝備上，如下表所示。毫米波段武器應(yīng)用舉例型號(hào)種類主要用途SEA TRACS II毫米波艦載火控雷達(dá)Mini-PEV小型無(wú)人駕駛飛機(jī)雷達(dá)Startle坦克火拴需達(dá)Wasp空地導(dǎo)彈主動(dòng)/被動(dòng)復(fù)合制導(dǎo)系統(tǒng)MILSATCOM軍用衛(wèi)星星間通訊對(duì)于硅器件，其工作頻率最多達(dá)到GHz范圍，而W波段或更高頻率的MMIC 所用的材料主要是InP-HBT、HEMT或者GaAs-MHEMT。其中國(guó)際上最新報(bào)道 的InP MMIC低噪聲放大器在 W波段，噪聲系數(shù)在2-5dB之間。但是，In資源 正逐漸減少，同時(shí)InP單晶生長(zhǎng)較難，易碎，且遷移率較難進(jìn)一步

24、提高，具器件 性能已接近極限水平，人們一直在尋找遷移率和熱導(dǎo)率更高的材料，晶片級(jí)石墨烯的出現(xiàn)有望解決這些難題。利用石墨烯超高速遷移率可以提高器件工作頻率達(dá) 到毫米波段，利用雙層石墨烯的設(shè)計(jì)可有效避免豪格規(guī)則實(shí)現(xiàn)超低噪聲特性，其意義不言而喻。目前，美國(guó)DARPA計(jì)劃已將石墨烯研究方向定為毫米波低噪聲 放大器。為了與時(shí)俱進(jìn)，支持未來(lái)的國(guó)防現(xiàn)代化建設(shè)，實(shí)現(xiàn)靈活移動(dòng)、快速反應(yīng)、 安全隱蔽的軍事、宇航通信，滿足 21世紀(jì)新的和平事業(yè)和世界局勢(shì)發(fā)展需要， 研制石墨烯超高頻低噪聲器件顯得異常必要。軍事用途未來(lái)戰(zhàn)爭(zhēng)環(huán)境下，自動(dòng)化、電子化、輕型化和信息化將成為軍事發(fā)展的主 要趨勢(shì)。石墨烯由于其突出的物理和化學(xué)性

25、能， 將在軍事方面大有作為，主要應(yīng) 用在軍事航天、軍事探測(cè)、極高頻衛(wèi)星通信系統(tǒng)等。在軍事航天領(lǐng)域，軍事航天技術(shù)是以軍事應(yīng)用為目的、開(kāi)發(fā)和利用太空的 一門綜合性工程技術(shù)。迄今世界各國(guó)共發(fā)射了5700多個(gè)航天器，其中70%用于軍事目的。太空也已經(jīng)成為未來(lái)戰(zhàn)爭(zhēng)的戰(zhàn)場(chǎng)，為了掌握太空戰(zhàn)場(chǎng)的控制權(quán)，各國(guó) 都在加緊發(fā)展軍事航天技術(shù)，而微電子技術(shù)則是基礎(chǔ)技術(shù)之一。 美國(guó)“戰(zhàn)略防御 倡議”（即星球大戰(zhàn)計(jì)劃）中的空間監(jiān)視系統(tǒng)采用了超高速集成電路和微波毫米 波單片集成電路（MMIC）。從表面上看，微電子電路分布在龐大的系統(tǒng)中的各 個(gè)地方，其實(shí)卻起著舉足輕重的作用。半導(dǎo)體微波毫米波器件的應(yīng)用頻段和目前的3mm波段的主

26、流產(chǎn)品InP基材料器件和電路比較起來(lái)，SiC襯底 的高硬度和高熱導(dǎo)率保障了器件的成品率和散熱性。電子在石墨烯中是以隧穿的方式運(yùn)動(dòng)，器件的驅(qū)動(dòng)電壓可以很低。SiC襯底上的石墨烯是一種適合制備 W波 段或更高頻低噪聲放大器的材料。美國(guó)國(guó)防先期研究計(jì)劃局 DARPA斥資2200萬(wàn)美元，開(kāi)展CERA （射頻應(yīng)用的碳電子，Carbon Electronics for RF Applications）項(xiàng)目，用于研究石墨烯及基 于石墨烯（Graphene溝道的超高速、超低噪聲、超低功耗的場(chǎng)效應(yīng)晶體管，以 滿足高端毫米波系統(tǒng)的應(yīng)用需求。CERA計(jì)劃始于2008年7月，終于2012年9 月，分為三個(gè)階段。如下表

27、所示：第一階段的目標(biāo)有兩個(gè)：初步確立石墨烯薄膜合成生長(zhǎng)工藝，驗(yàn)證石 墨烯溝道FET制作工藝的可行性；第二階段也有兩個(gè)目標(biāo)：完善薄膜材料生 長(zhǎng)工藝，力求生長(zhǎng)厚度精確控制在一個(gè)原子層， 演示超高速石墨烯FET;最后 的第三階段著重材料及器件性能、 可生產(chǎn)性及可集成性的后期優(yōu)化工作。 最終成 果是演示一個(gè)W波段（ 90GHz）的低噪聲放大器，噪聲系數(shù)0 1dB0計(jì)劃不僅 要求電路產(chǎn)出圓片尺寸達(dá)到8英寸，并且要求整張圓片的成品率優(yōu)于 90%。如果在接收系統(tǒng)的前端連接高性能的低噪聲放大器，在低噪聲放大器增益 足夠大的情況下，就能抑制后級(jí)電路的噪聲，則整個(gè)接收機(jī)系統(tǒng)的噪聲系數(shù)蔣主 要取決于放大器的噪聲。如

28、果低噪聲放大器的噪聲系數(shù)降低，接收機(jī)系統(tǒng)的噪聲 系數(shù)也會(huì)變小，信噪比得到改善，靈敏度大大提高。由此可見(jiàn)低噪聲放大器的性 能制約了整個(gè)接收系統(tǒng)的性能，對(duì)于整個(gè)接收系統(tǒng)技術(shù)水平的提高， 也起了決定 性的作用。低噪聲放大器是雷達(dá)、電子對(duì)抗及遙測(cè)遙控接受系統(tǒng)等的關(guān)鍵部件。L、S波段低噪聲放大器一般用于遙測(cè)、遙控系統(tǒng)。在電子對(duì)抗、雷達(dá)偵察中，由于要 接收的信號(hào)的頻率范圍未知，其實(shí)頻率范圍也是要偵察的內(nèi)容之一， 所以要求接 收系機(jī)的頻率足夠?qū)?，那么放大器的頻率也要求足夠?qū)挕?而且，雷達(dá)偵察接收的 是雷達(dá)發(fā)射的折射波，是單程接收；而雷達(dá)接收的是目標(biāo)回波，從而使偵察機(jī)遠(yuǎn) 在雷達(dá)作用距離之外就能提早發(fā)現(xiàn)雷達(dá)目標(biāo)

29、。靈敏度高的接收機(jī)偵察距離就遠(yuǎn)， 如高靈敏度的超外差式接收機(jī)可以實(shí)現(xiàn)超遠(yuǎn)程偵察，用以監(jiān)視敵遠(yuǎn)程導(dǎo)彈的發(fā) 射，所以，要增高偵察距離，就要提高接收機(jī)靈敏度，就要求高性能的低噪聲放 大器。在國(guó)際衛(wèi)星通信應(yīng)用中，低噪聲放大器的主要發(fā)展要求是改進(jìn)性能和降低 成本。由于國(guó)際通信量年復(fù)一年地迅速增加，所以必須通過(guò)改進(jìn)低噪聲放大器的性能來(lái)滿足不斷增加的通信要求。因此，要不懈地不斷努力去展寬帶低噪聲放 大器的帶寬和降低其噪聲溫度。從經(jīng)濟(jì)觀點(diǎn)出發(fā)，衛(wèi)星通信整個(gè)系統(tǒng)的成本必須 減少到能與海底電纜系統(tǒng)相競(jìng)爭(zhēng)。降低低噪聲放大器的噪聲溫度是降低衛(wèi)星通信 系統(tǒng)成本的一種最有效的方法，因?yàn)榈孛嬲咎炀€的直徑可以通過(guò)改善噪聲溫度

30、性能而減小另一方面，在國(guó)內(nèi)衛(wèi)星通信應(yīng)用中，重點(diǎn)放在低噪聲放大器的不用維修特 性以及低噪聲和寬帶性能，因?yàn)樵谶@些系統(tǒng)中越來(lái)越廣泛地采用無(wú)人管理的工作 方式，特別在電視接收地面站中更是如此。衛(wèi)星通信用的低噪聲放大器可以分為兩種類型一一低噪聲參量放大器和場(chǎng) 效應(yīng)晶體管低噪聲放大器。這些低噪聲放大器用在幾個(gè)頻段內(nèi)，包括4GHz, 12 GHz和毫米波頻段。寬帶低噪聲放大器的實(shí)現(xiàn)又有很多種類型。SiGe工藝具有優(yōu)異的射頻性能，更由于其較高的性價(jià)比，被廣泛應(yīng)用于移動(dòng)通信、衛(wèi)星定位和 RFID等市場(chǎng)；SiGe工藝還可以與常規(guī)的數(shù)字模擬電路相集成，制造出功能完整 的SoC芯片。目前采用SiGe材料制作射頻集成

31、電路已成為國(guó)際上的研究熱點(diǎn)。 實(shí)現(xiàn)前端的低噪聲放大器是最近興起的超寬帶射頻通信系統(tǒng)中的挑戰(zhàn)之一。業(yè)界一直在追求完全集成的超寬帶通信系統(tǒng) SOC,與其他工藝相比，CMOS工藝更 易于系統(tǒng)集成，所以人們?cè)O(shè)計(jì)出了許多的 CMOS工藝的超寬帶低噪聲放大器。4GHz頻段是目前衛(wèi)星通信最通用的頻段， 它用于國(guó)際衛(wèi)星通信和國(guó)內(nèi)衛(wèi)星 通信，包括電視接收地面站。在這些領(lǐng)域內(nèi)，已經(jīng)研制出了各種各樣的低噪聲 放大器并已得到了應(yīng)用。低噪聲參量放大器和場(chǎng)效應(yīng)晶體管低噪聲放大器根據(jù)其 冷卻系統(tǒng)可以分為三種類型，即深致冷型式，熱電致冷型式和非致冷型式。 深致 冷低噪聲參量放大器在衛(wèi)星通信的初期得到廣泛的使用。而今天，除了一

32、些特殊應(yīng)用以外，這種型式的參放幾乎不象以前那樣廣泛地使用，這是因?yàn)橛芯S修困難等幾方面的原因。熱電致冷和非致冷低噪聲參量放大器主要用在國(guó)際衛(wèi)星通信地 面站中，有時(shí)也用在國(guó)內(nèi)衛(wèi)星通信的關(guān)鍵地面站。 由于變?nèi)莨艿母倪M(jìn)和泵頻的提 高，這些低噪聲放大器幾乎具有深致冷參放那樣的低噪聲溫度。場(chǎng)效應(yīng)晶體管低噪聲放大器主要用在國(guó)內(nèi)衛(wèi)星通信地面站中， 特別是用在電視接收地面站中。在 這些場(chǎng)合，幾乎普遍采用熱電致冷和非致冷型式。 深致冷型式僅僅用在特殊的場(chǎng) 合。毫米波具有用小口徑天線就可產(chǎn)生方向性強(qiáng)的窄波束和很小的旁瓣的特 點(diǎn)，使得截獲和干擾毫米波信號(hào)變得非常困難，因而隱蔽性和反電子偵察能力好， 適合在軍用保密通信

33、中使用；另外，作為大氣窗口頻率，它在特殊頻率下呈現(xiàn)出 低衰減的特點(diǎn)，因此成為衛(wèi)星、宇航通信的必需的手段；同時(shí)它又具有波長(zhǎng)短和 較強(qiáng)的穿透戰(zhàn)場(chǎng)煙霧、塵埃、雨雪等的能力，可為雷達(dá)、成像、精確制導(dǎo)等提供較高的目標(biāo)分辨率和準(zhǔn)全天候的作戰(zhàn)能力， 這些特別的優(yōu)勢(shì)使得采用毫米波技術(shù) 的武器裝備，如軍用保密通信、導(dǎo)彈或靈巧炸彈的精確制導(dǎo)以及電子對(duì)抗和情報(bào) 偵察等，在現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中占有越來(lái)越重要的地位。為此，從上世紀(jì)80年代初起，美國(guó)國(guó)防部尖端技術(shù)研究規(guī)劃署（DARPA）、國(guó)家航空和宇航局（NASA） 一直重點(diǎn) 進(jìn)行毫米波固態(tài)器件和電路的研究，目前已經(jīng)取得了令人矚目的成果，大量固態(tài) 器件和芯片應(yīng)用于新型武器裝備上，

34、在提高裝備可靠性的同時(shí)還能大大縮小體 積，滿足軍方對(duì)小型化的需求。目前，毫米波頻段已在國(guó)外現(xiàn)有裝備中使用，基 于毫米波固態(tài)器件的雷達(dá)、精確制導(dǎo)系統(tǒng)、靈巧武器導(dǎo)引頭、軍用保密通信系統(tǒng) 以及電子戰(zhàn)對(duì)抗系統(tǒng)開(kāi)始大量裝備美軍，并且在兩次海灣戰(zhàn)爭(zhēng)和科索沃戰(zhàn)爭(zhēng)中取 得了很好的實(shí)戰(zhàn)效果。毫米波頻段低噪聲放大器具有明確的軍事應(yīng)用背景一一先進(jìn)極高頻衛(wèi)星通 信系統(tǒng)（AEHF）。先進(jìn)極高頻衛(wèi)星通信系統(tǒng)（AEHF）作為新一代的衛(wèi)星通信系統(tǒng)， 用于全球范圍的戰(zhàn)略與戰(zhàn)術(shù)指揮與控制通信，它將為所有作戰(zhàn)人員提供全球性、 高安全性、受保護(hù)和持久的通信，還具備監(jiān)視別國(guó)衛(wèi)星運(yùn)行的能力。C4ISR遠(yuǎn)景圖AEHF衛(wèi)星具有低速率、中速率

35、波形和擴(kuò)展速率波形，采用了星上處理技術(shù)、 星間鏈路技術(shù)，以及輕型多功能通信天線的組合陣列和寬帶頻率合成技術(shù)等，具備抗干擾、低檢測(cè)概率、低截獲概率的特點(diǎn)和先進(jìn)的加密系統(tǒng)，且能與其他軍用 網(wǎng)絡(luò)兼容。AEHF能夠支持動(dòng)中通，能過(guò)提供數(shù)據(jù)、語(yǔ)音、視頻會(huì)議和圖像傳輸 業(yè)務(wù)，能為國(guó)家戰(zhàn)略和戰(zhàn)術(shù)力量在各種級(jí)別的沖突中提供安全、可靠的全球衛(wèi)星通信。它還能為那些需要快速、精確信息的用戶提供實(shí)時(shí)地圖、目標(biāo)信息和先進(jìn) 的智能監(jiān)視和偵察信息，能極大增強(qiáng)在作戰(zhàn)時(shí)的 C4ISR （指揮、控制、通信、計(jì) 算機(jī)、情報(bào)及監(jiān)視與偵察）能力，其衛(wèi)星位于赤道上空 36000千米的軌道上。毫 米波頻段低噪聲放大器作為AEHF衛(wèi)星通信系

36、統(tǒng)的前端器件，主要用于毫米波頻 段信號(hào)的接收，在情報(bào)收集、電子對(duì)抗、抗干擾等方面具有廣泛的應(yīng)用，具有極 高的軍事價(jià)值。各種星載雷達(dá)、宇航通信裝備的需求大大推動(dòng)了毫米波固態(tài)器件的發(fā)展， 它對(duì)我國(guó)航天事業(yè)的發(fā)展與進(jìn)步尤起著至關(guān)重要的作用。另外，未來(lái)的外太空探索研究和各種星球探測(cè)器的登陸設(shè)備也需要毫米波電路進(jìn)行控制和通信。近年 來(lái)，隨著西方軍事強(qiáng)國(guó)的技術(shù)進(jìn)步，毫米波電路已經(jīng)逐漸成為主流技術(shù)， 頻率高 達(dá)上百GHz的成品不斷涌現(xiàn)；當(dāng)前，國(guó)產(chǎn)自主研發(fā)的毫米波電路技術(shù)與之比較 仍有很大的差距。為了適應(yīng)未來(lái)的國(guó)防現(xiàn)代化建設(shè)，實(shí)現(xiàn)靈活移動(dòng)、快速反應(yīng)， 安全隱蔽的軍事、宇航通信，研制毫米波單片集成電路便顯得異常

37、必要。極高頻衛(wèi)星通信系統(tǒng)是指星上的主要通信設(shè)備上行傳輸頻率為極高頻 （44GHz）,它比特高頻（UHF）、超高頻（SHF）頻率高，下行傳輸頻率為超高頻 （20GHz）,是美軍軍事衛(wèi)星通信（MILSATCOM）體系結(jié)構(gòu)中最關(guān)鍵的系統(tǒng)。極高 頻衛(wèi)星通信系統(tǒng)又稱軍事戰(zhàn)略戰(zhàn)術(shù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng) （Milstar）,它將為美軍的戰(zhàn)略指 揮控制和戰(zhàn)術(shù)部隊(duì)提供保密、抗干擾通信，具有能支持全面戰(zhàn)爭(zhēng)的能力。未來(lái)的 軍事衛(wèi)星系統(tǒng)向更高的EHF頻段拓展。采用EHF頻段有很多現(xiàn)有其它頻段無(wú)可 比擬的優(yōu)點(diǎn)，一是擴(kuò)大EHF頻段的容量，大大減輕現(xiàn)有頻譜擁擠現(xiàn)象；二是EHF 的波束窄，可減少受核爆炸影響出現(xiàn)的信號(hào)閃爍和衰落， 抗干

38、擾和抗截收能力強(qiáng)。 三是EHF頻段系統(tǒng)使用的部件尺寸和重量都可大大縮小和減輕。但是， EHF衛(wèi) 星技術(shù)復(fù)雜，造價(jià)高昂，從 EHF頻段向更高的頻段拓展需要一個(gè)較長(zhǎng)時(shí)期。目 前，世界上除美軍外，其他國(guó)家還不具備極高頻衛(wèi)星通信能力。換句話說(shuō)，極高 頻衛(wèi)星通信系統(tǒng)是美軍在目前和最近一個(gè)時(shí)期唯一擁有的最先進(jìn)的通信系統(tǒng)，是美軍指揮控制系統(tǒng)中的“殺手銅”，它所提供的保密和抗干擾的通信能力將對(duì)美 軍的全球戰(zhàn)略發(fā)揮重大作用。據(jù)美國(guó)空軍雜志網(wǎng)站近日?qǐng)?bào)道：美國(guó)諾斯羅普格魯門公司近日宣布，B-2隱身轟炸機(jī)極高頻（EHF）衛(wèi)星通信系統(tǒng)升級(jí)計(jì)劃已經(jīng)開(kāi)始進(jìn)行試飛。根據(jù) 該升級(jí)計(jì)劃，將會(huì)為B-2轟炸機(jī)配備全新的處理硬件和通信

39、裝置，從而增強(qiáng)該機(jī)的連通性。據(jù)諾 格公司透露，自2010年9月1日以來(lái)，一架派駐加利福尼亞州 愛(ài)德華茲空軍基地?fù)?dān)負(fù)測(cè)試任務(wù)的 B-2飛機(jī)就一直攜帶著上述設(shè)備（主要包括新 型綜合處理單元、磁盤驅(qū)動(dòng)器和光纜）進(jìn)行試飛。加裝上述設(shè)備是 B-2轟炸機(jī) EHF衛(wèi)星通信系統(tǒng)升級(jí)計(jì)劃“增量”1階段的主要內(nèi)容，諾格公司曾于今年三月宣 布已經(jīng)開(kāi)始在B-2轟炸機(jī)上安裝這些設(shè)備。整個(gè)B-2轟炸機(jī)EHF衛(wèi)星通信系統(tǒng)升級(jí)計(jì)劃包括不同復(fù)雜程度的三個(gè)階段 （“增量”13） o諾 格公司聲稱，當(dāng)整個(gè)升級(jí)計(jì)劃完成后，B-2轟炸機(jī)將能通 過(guò)衛(wèi)星傳送和接收戰(zhàn)場(chǎng)信息，其速度將比目前快 100倍以上。美國(guó)空軍列裝的B-2隱形轟炸機(jī)武器

40、裝備對(duì)于戰(zhàn)爭(zhēng)來(lái)說(shuō)具有重要的決定作用，在科技高速發(fā)展的今天尤為 突出，電子戰(zhàn)、信息戰(zhàn)已經(jīng)出現(xiàn)端倪，高科技武器系統(tǒng)對(duì)現(xiàn)代軍事的影響越來(lái)越 大，其中電子對(duì)抗技術(shù)、相控陣?yán)走_(dá)遠(yuǎn)程偵測(cè)技術(shù)和靈巧武器精確打擊技術(shù)正逐 漸成為現(xiàn)在戰(zhàn)爭(zhēng)的主要手段。目前在3mm波段國(guó)外已經(jīng)有顯示裝備在使用中，例如： SEA TRACS系統(tǒng) 是美國(guó)海軍單面武器中心研制的一部毫米波艦載火控雷達(dá)，它的低俯仰角特性用于近程防空，具海面搜索系統(tǒng)和檢測(cè)能力用于搜索潛望鏡。 其后續(xù)型SEA TRACS II頻率提高至94GHz； mini-PEV小型無(wú)人駕駛飛機(jī)雷達(dá)是美國(guó) Martin Mariett公 司為陸軍研制的94GHz雷達(dá)系統(tǒng)，用

41、于坦克定位和捕獲，在能見(jiàn)度差，有煙霧 和密林偽裝的情況下，對(duì)敵方目標(biāo)的識(shí)別性能勝過(guò)紅外前視系統(tǒng)；美國(guó) Hughes 公司研制的 Wasp空地導(dǎo)彈在用94GHz主動(dòng)/被動(dòng)復(fù)合制導(dǎo)系統(tǒng)，在嚴(yán)重地物雜 波的環(huán)境下不但可以發(fā)現(xiàn)、識(shí)別目標(biāo)，而且還具有選擇不同目標(biāo)的能力。美國(guó) Northrop Grumman已經(jīng)研制了 1024單元的3mm焦平面器件。這些核心芯片應(yīng) 用在空間和電子戰(zhàn)系統(tǒng)上能夠極大提高戰(zhàn)場(chǎng)偵知能力。毫米波高端系統(tǒng)正是我們未來(lái)需求大力發(fā)展的國(guó)防裝備之一。神舟系統(tǒng)的成功發(fā)射和嫦娥探月工程的逐步實(shí)施將我國(guó)的宇航事業(yè)更上一 層新的臺(tái)階，各種星載雷達(dá)、宇航通信裝備的需求將大大增強(qiáng)， 毫米波電路系統(tǒng)

42、更是其中的關(guān)鍵部件，它對(duì)我國(guó)航天事業(yè)的發(fā)展和進(jìn)步尤起著至關(guān)重要的作用。 另外，未來(lái)的外太空探索研究和各種星球探測(cè)器的登陸設(shè)備均需要毫米波電路進(jìn) 行控制和通信。現(xiàn)有毫米波器件發(fā)展水平2002年美國(guó)Triquint公司采用0.15um GaAs PHEMT工藝推出了兩款 8mm 低噪聲放大器 TGA4507和TGA4508。其中，TGA4507的工作頻率為 28 36GHz、增益為22dB、噪聲系數(shù)為2.3dB; TGA4508的工作頻率為3042GHz、 增益為21dB、噪聲系數(shù)為2.8dB。Hittite公司目前代銷了 NGST的兩款低噪聲芯片HMC-ALH369、 HMC-ALH376 ,兩

43、款芯片均為 GaAs HEMT工藝，其中ALH369工作頻率為24 40GHz、增益大于18dB、噪聲系數(shù)小于2.0dB;ALH376的工作頻率為3545GHz、 增益大于12dB、噪聲系數(shù)小于2.0dB。2008年，美國(guó)mimix-broadband公司也發(fā)布了一款 Q波段GaAs LNA芯片 XB1005-BD ,工作頻率為3545GHz、增益為大于20dB、典型噪聲指數(shù)為2.7dB左右。2008年Triquint公司基于0.15um GaAs PHEMT工藝設(shè)計(jì)了 V波段低噪聲 放大器，其工作頻率為5765GHz、增益為13dB、噪聲指數(shù)為4dB。目前大多數(shù)GaN HEMT研究針對(duì)的頻段

44、為S波段和X波段，在S波段主要 用于移動(dòng)通信基站， 在X波段主要有電子對(duì)抗、相控陣?yán)走_(dá)等軍事應(yīng)用。越來(lái) 越多的GaN HEMT研究將工作頻率擴(kuò)展到 Ka波段（26-40GHz）甚至毫米波段， 目標(biāo)是取代行波管放大器應(yīng)用于雷達(dá)以及衛(wèi)星和寬帶無(wú)線通訊。工作頻率的提高要求器件的柵長(zhǎng)不斷縮小，對(duì)于Ka以上波段的GaN HEMT柵長(zhǎng)一般小于300nm, 甚至要達(dá)到100nm左右。柵長(zhǎng)的縮短一方面增加了工藝難度，更為重要的是短 溝道效應(yīng)的抑制對(duì)器件結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提出了新的挑戰(zhàn)。MOCVD GaN HEMT40GHz勺微波功率測(cè)試結(jié)果加入In0.1Ga0.9N背勢(shì)壘層的GaN HEM導(dǎo)帶示意圖Mishra等人研

45、制了柵長(zhǎng)為160nm GaN HEMT器件，所用MOCVD外延材料 的二維電子氣濃度為1.4X1013cm-2,遷移率1350cm2/Vs, MBE外延材料的二維 電子氣濃度為1.0X 1013cm-2 ,遷移率1500cm2/Vs。器件的最大電流為 1200-1400mA/mm,最大跨導(dǎo) 400-450mS/mm,擊穿電壓大于 80V, fT 60-70GHz, fmax 85-100GHz。MOCVD GaN HEMT在40GHz的微波功率測(cè)試結(jié)果顯示，漏 電壓為30V時(shí)，最大輸出功率密度為10.5W/mm, PAE為33%。MBE GaN HEMT 也顯示了很好的微波功率結(jié)果，在 40G

46、Hz漏電壓為30V時(shí)，最大輸出功率密度 為8.6W/mm, PAE為29%。但是，較低的PAE和fmax限制了器件的增益，只 有5-7dB。鈍化介質(zhì)的寄生參數(shù)和短溝道效應(yīng)是導(dǎo)致器件頻率特性不太理想主要 原因。去除鈍化介質(zhì)后，器件的fT提高到130GHz, fmax提高到140-170GHz。器件的柵長(zhǎng)過(guò)短使得柵對(duì)二維電子氣的束縛減弱，調(diào)制效率降低。短溝道 效應(yīng)導(dǎo)致器件出現(xiàn)軟夾斷、夾斷電壓漂移、夾斷電流高以及輸出阻抗增加等問(wèn)題。 在溝道中加入禁帶較窄的材料如InGaN,形成雙異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，可以加強(qiáng)對(duì)二維電 子氣的束縛。但是溝道中InGaN的加入降低了器件的擊穿電壓，因而降低了器 件的輸出功率。為了

47、在加強(qiáng)對(duì)二維電子氣的束縛的同時(shí)不降低擊穿電壓，Mishra等人將1nm厚的In0.1Ga0.9N加入到GaN緩沖層和GaN溝道之間。如上圖所示， 1nm的In0.1Ga0.9N背勢(shì)壘層造成溝道和緩沖層之間 0.2eV的導(dǎo)帶不連續(xù)，因此加 強(qiáng)了對(duì)二維電子氣的束縛。 柵長(zhǎng)為150nm的GaN HEMT跨導(dǎo)曲線隨漏電壓的變 化，普通GaN HEMT的跨導(dǎo)特性隨漏電壓的增大不斷退化，夾斷電壓從漏電壓 10V時(shí)的-5V減小到50V時(shí)的-8V以下，而且?jiàn)A斷特性明顯變差；而對(duì)于帶InGaN 背勢(shì)壘層的GaN HEMT,夾斷電壓在相同條件下只是從-3V減小-4V,在漏電壓 為50V時(shí)夾斷特性仍然非常好。器件的

48、頻率特性也得到了相應(yīng)的改善，其中fmax 提高了 18%。在去除鈍化介質(zhì)后，100nm柵長(zhǎng)帶InGaN背勢(shì)壘層的GaN HEMT fT最高達(dá)153GHz, fmax最高達(dá)230GHz。功率測(cè)試表明，功率密度雖然沒(méi)有明 顯提高，但PAE從50%提高到64-69%。最近，西方發(fā)達(dá)國(guó)家特別是美國(guó)在繼續(xù)提升器件高頻特性，不斷優(yōu)化制作 工藝的同時(shí)，也逐步開(kāi)展了 InP PHEMT單片集成電路的研究，研發(fā)了多款 Q波 段單片集成電路；取得了 InP MMIC方面的絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，眾多產(chǎn)品已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了裝備 化，這種領(lǐng)先的電子裝備不但使他們的軍事實(shí)力大大增強(qiáng)，而且在未來(lái)的外太空探索和宇宙開(kāi)發(fā)中占得先機(jī)。美國(guó)休斯公司采

49、用InP HEMT工藝研發(fā)了一款 Q波段低噪聲放大器。其中，工作頻率為 43.345.7GHz、增益大于20dB、噪聲系 數(shù)小于2.0dB。在應(yīng)用用領(lǐng)域，HXi公司和quinstar公司是美國(guó)具有代表性的兩家毫米波系 統(tǒng)應(yīng)用公司，HXi公司目前有兩款通用型 Q波段低噪聲放大器HLNAAK-066和 HLNAB-282 ,增益分別為24dB和16dB左右，噪聲系數(shù)分別為 4.0dB和5.5dB; quinstar公司有多種Q波段低噪聲放大器產(chǎn)品，其噪聲系數(shù)在 3.5-4.5dB左右， 增益在18-46dB之間分布。石墨烯毫米波器件優(yōu)勢(shì)由于電子在石墨烯中可不被散射而進(jìn)行傳輸，用其制備的晶體管尺寸更

50、小、 速度更快，能耗更低，適于高性能、高集成度的RF系統(tǒng)級(jí)芯片(SoC)應(yīng)用。石墨烯器件工藝與傳統(tǒng)的CMOS工藝兼容，是器件關(guān)鍵材料的更新?lián)Q代的 首選。專家預(yù)測(cè)石墨烯的研究成果將對(duì)高端軍用系統(tǒng)的創(chuàng)新發(fā)展產(chǎn)生難以估量的 沖擊力，包括毫米波精密成像系統(tǒng)、毫米波超寬帶通信系統(tǒng)、雷達(dá)及電子戰(zhàn)系統(tǒng) 等。石墨烯由于其特有的高遷移率、好的噪聲性能等，在低噪聲放大應(yīng)用中有 很大的優(yōu)勢(shì)，能廣泛的應(yīng)用于W波段以及以上波段的毫米波單片集成電路(MMIC)和低噪聲放大器等電路中，因而成為近期研究的一個(gè)熱點(diǎn) 二、國(guó)內(nèi)外研究概況、水平和發(fā)展趨勢(shì)（一）國(guó)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)2004年英國(guó)曼徹斯特大學(xué)的安德烈 K 海姆課題組

51、首次找到一種把石墨層 粘貼在透明膠上，然后反復(fù)數(shù)次把石墨與膠帶分開(kāi)，最后得到石墨烯（石墨單層） 的方法，并制作出了世界最小晶體管，由此獲得了2010年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。由于石墨烯嚴(yán)格的二維結(jié)構(gòu)，它蘊(yùn)涵著許多新的物理以及潛在應(yīng)用，因此它成為目前科學(xué)研究的熱點(diǎn)之一。自2004年Andre.K.Geim教授和Kostya.Novoselov研究員首次制備出石墨烯 以來(lái)，石墨烯受到全世界科學(xué)家的廣泛關(guān)注， 下圖表示出了近幾年石墨烯的文章 SCI收錄情況，以每年翻番的速度增長(zhǎng)。近幾年石墨烯的文章SCI收錄情況早在1999年，Lu等就用氧等離子刻蝕，在以 SiO2為基底的高定向熱裂解 石墨上刻蝕出了厚度約為

52、200nm的石墨層。G. Chen等采用超聲波粉碎經(jīng)過(guò)酸 插層的膨脹石墨，首次大量制備出厚度幾十納米的納米石墨微片。 Liu等首次報(bào) 道了用水合聯(lián)氨還原聚苯胺插層氧化石墨化合物，還原后化合物的導(dǎo)電性增加了 1個(gè)數(shù)量級(jí)。2005年Srivastava等采用微波增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法，在 Ni包裹的 Si襯底上生長(zhǎng)出了 20nm左右厚度的“花瓣?duì)睢钡氖?，并研究了微波功率?小對(duì)石墨片形貌的影響。2006年Niyogi等研究了用十八胺對(duì)氧化石墨表面進(jìn)行 改性，制得長(zhǎng)鏈烷基改性石墨。Li等在Stankovich等研究的基礎(chǔ)上，利用還原 氧化石墨的方法在沒(méi)有任何化學(xué)穩(wěn)定劑的情況下，通過(guò)控制石墨層間的靜電

53、力， 制備出了在水中穩(wěn)定分散的石墨烯溶液。2007年，Zhu等通過(guò)調(diào)整合成碳納米管 的參數(shù)，在沒(méi)有催化劑的情況下用電感耦合頻射等離子體化學(xué)氣相沉積法在多種 襯底上生長(zhǎng)出了納米石墨微片。這種納米薄膜垂直生長(zhǎng)在襯底上，類似于 Srivastava等的“花瓣?duì)睢奔{米片。2006年，Heer等首次將SiC置于高真空，1300c下，使SiC薄膜中的Si 原子蒸發(fā)出來(lái)，生成連續(xù)的二維石墨烯薄膜。這種方法制備出來(lái)的二維石墨烯薄 膜厚度僅為1-2碳原子層。2008年，Konstantin V. Emtsev等人在Ar氣保護(hù)氛圍下將 SiC進(jìn)行高溫退 火，相對(duì)Heer等真空退火的方法，制得的石墨烯薄膜的均勻性及

54、質(zhì)量都大大改 善。許多發(fā)達(dá)國(guó)家都對(duì)石墨烯的研究投入了大量的人力和財(cái)力。美國(guó)近年來(lái)對(duì) 石墨烯的經(jīng)費(fèi)投入非常巨大，大大推動(dòng)了他們?cè)谠摲矫娴目茖W(xué)進(jìn)展。 在匹茲堡舉 行的美國(guó)物理學(xué)會(huì)年會(huì)上，石墨烯是科學(xué)家們談?wù)摰闹饕掝}。研究人員用 23 場(chǎng)討論分會(huì)探討有關(guān)這種材料的問(wèn)題。韓國(guó)科學(xué)家在制備大尺寸、高質(zhì)量的石墨烯薄膜方面取得了突破性進(jìn)展。 根據(jù)Nature報(bào)道，韓國(guó)研究人員近日發(fā)現(xiàn)了一種制備大尺寸石墨烯薄膜的方 法。這種石墨烯薄膜不僅具備高硬度和高拉伸強(qiáng)度，其電學(xué)特性也是現(xiàn)有材料中最好的，這些單原子層厚的碳薄片是非常有前途的材料?？上н@種材料是在金屬 襯底上制備的，不適合做微波高頻器件。2011年，美國(guó)

55、賓夕法尼亞大學(xué)研制出100mm直徑的石墨烯晶片。2011年初，美國(guó)普渡大學(xué)研制出SiC上石墨烯材料的遷移率為 18700cm飛-1。2008年3月，舊M沃森研究中心的科學(xué)家在世界上率先制成了基于SiC襯底的低噪聲石墨烯晶體管。普通的納米器件隨著尺寸的減小，被稱做 1/f的噪音 會(huì)越來(lái)越明顯，使器件信噪比惡化。這種現(xiàn)象就是豪格規(guī)則(Hooge's law)”，石墨烯、碳納米管以及硅材料都會(huì)產(chǎn)生該現(xiàn)象。因此，如何減小1/f噪聲成為實(shí)現(xiàn)納米元件的關(guān)鍵問(wèn)題之一。 舊M通過(guò)重疊兩層石墨烯，試制成功了晶體管。由 于兩層石墨烯之間生成了強(qiáng)電子結(jié)合，從而控制了1/f噪音。IBM華裔研究人員林育明的該發(fā)

56、現(xiàn)證明，兩層石墨烯有望應(yīng)用于各種各樣的領(lǐng)域。IBM采用雙層石墨烯結(jié)構(gòu)降低器件噪聲2008年6月底，日本東北大學(xué)電通信所末光真希教授將SiC在真空條件下加熱至1000多度，除去硅而余下碳，通過(guò)自組形式形成單層石墨烯。末光教授 的團(tuán)隊(duì)通過(guò)控制 SiC形成時(shí)的結(jié)晶方向和 Si襯底切割的結(jié)晶方向，得到了 100M50平方微米面積的兩層石墨膜，其晶格畸變率僅為1.7%。其他科研團(tuán)隊(duì)利用傳統(tǒng)方法的品格畸變率為20%,因而不能制成可實(shí)際應(yīng)用的器件。2009年5月，HRL實(shí)驗(yàn)室宣稱在高質(zhì)量2英寸石墨烯薄膜及其射頻場(chǎng)效應(yīng) 晶體管方面取得了突破，下圖顯示了器件的結(jié)構(gòu)和電子輸運(yùn)特性。HRL資深科學(xué)家Jeong-Su

57、n Moon表示，該器件擁有全球最高的場(chǎng)遷移率，約 6000cm2/Vs, 是現(xiàn)階段最先進(jìn)硅基n-MOSFET的6-8倍。他們使用Aixtron的VP508 CVD反應(yīng)設(shè)備，通過(guò)從6H-SiC晶體中升華硅的方法，成功制成了石墨烯薄膜。之后使用標(biāo)準(zhǔn)的光刻膠工藝和氧反應(yīng)離子刻蝕技術(shù)制備了晶體管。源極和漏極接觸是鈦、鋁和金的合金，使用原子層沉積技術(shù)制備 20nm厚的氧化鋁柵電介質(zhì)，事實(shí)上這樣做捕獲了界面電荷，可能會(huì)導(dǎo)致器件性能下降。HRL實(shí)驗(yàn)室在2英寸石墨烯薄膜上的射頻場(chǎng)效應(yīng)晶體管2009年，意大利的科研人員成功地用石墨烯制造了首枚包含兩個(gè)晶體管的 集成電路，它擁有簡(jiǎn)單的計(jì)算能力，標(biāo)制著碳基電子學(xué)時(shí)

58、代的到來(lái)。這枚只有兩 個(gè)晶體管的集成電路雖然很小，卻是向制造碳基高性能電子器件邁出的重要一 步。在2010年2月出版的Science雜志上，舊M的研究人員展示了一種由 SiC單晶襯底上生長(zhǎng)石墨烯材料制作而成的場(chǎng)效應(yīng)晶體管（FET）,其截止頻率 可達(dá)100 GHz,這是運(yùn)行速度最快的射頻石墨烯晶體管。這一成就是美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃局（DARPA） ”碳電子射頻應(yīng)用項(xiàng)目"（CERA）取得的重大進(jìn)展，為研發(fā)下一代通信設(shè)備鋪平了道路。研究人員通過(guò)使用與現(xiàn)行的先進(jìn)硅器件制造技 術(shù)相兼容的加工技術(shù)制成了晶圓規(guī)模、 外延生長(zhǎng)的石墨烯，從而達(dá)成了此高頻記 錄。2010年6月，石墨烯FET突破上次記錄。來(lái)自 舊M公司的Ph.Avouris,林 育明等人運(yùn)用SiC高溫升華法，把2英寸4H-SiC Si面襯底在1450c下高溫退火， 制