石墨烯应用前景及国内外研究现状及发展趋势

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100 GHz，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)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-SiC Si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f_T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100 GHz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。

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。

本文为MWRF.NET编辑整理，未经允许不得转载，如需转载请联系market#mwrf.net(#换成@)