石墨烯应用前景及国内外研究现状及发展趋势

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(GaAs FET)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N_F＝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N_F＝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0.1μm InP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。

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。

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:LuVO₄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。

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。
（3） 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。
（4） 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。
（5） 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。

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