【文章內(nèi)容簡介】 ACS系統(tǒng)是美國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，其海面搜索系統(tǒng)和檢測能力用于搜索潛望鏡。其后續(xù)型SEA TRACS II頻率提高至94GHz；miniPEV小型無人駕駛飛機(jī)雷達(dá)是美國Martin Mariett公司為陸軍研制的94GHz雷達(dá)系統(tǒng)，用于坦克定位和捕獲，在能見度差，有煙霧和密林偽裝的情況下，對敵方目標(biāo)的識(shí)別性能勝過紅外前視系統(tǒng)；美國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)場偵知能力。毫米波高端系統(tǒng)正是我們未來需求大力發(fā)展的國防裝備之一。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)更是其中的關(guān)鍵部件，它對我國航天事業(yè)的發(fā)展和進(jìn)步尤起著至關(guān)重要的作用。另外，未來的外太空探索研究和各種星球探測器的登陸設(shè)備均需要毫米波電路進(jìn)行控制和通信?，F(xiàn)有毫米波器件發(fā)展水平 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；TGA4508的工作頻率為30～42GHz、增益為21dB、。 Hittite公司目前代銷了NGST的兩款低噪聲芯片HMCALH36HMCALH376，兩款芯片均為GaAs HEMT工藝，其中ALH369工作頻率為24～40GHz、增益大于18dB；ALH376的工作頻率為35～45GHz、增益大于12dB、。2008年，美國mimixbroadband公司也發(fā)布了一款Q波段GaAs LNA芯片XB1005BD，工作頻率為35～45GHz、增益為大于20dB、。 GaAs PHEMT工藝設(shè)計(jì)了V波段低噪聲放大器，其工作頻率為57～65GHz、增益為13dB、噪聲指數(shù)為4dB。目前大多數(shù)GaN HEMT研究針對的頻段為S波段和X波段，在S波段主要用于移動(dòng)通信基站， 在X波段主要有電子對抗、相控陣?yán)走_(dá)等軍事應(yīng)用。越來越多的GaN HEMT研究將工作頻率擴(kuò)展到Ka波段（2640GHz）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)星和寬帶無線通訊。工作頻率的提高要求器件的柵長不斷縮小，對于Ka以上波段的GaN HEMT柵長一般小于300nm，甚至要達(dá)到100nm左右。柵長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)的抑制對器件結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提出了新的挑戰(zhàn)。MOCVD GaN HEMT在40GHz的微波功率測試結(jié)果 HEMT導(dǎo)帶示意圖Mishra等人研制了柵長為160nm GaN HEMT器件，1013cm2，遷移率1350cm2/Vs，1013cm2，遷移率1500cm2/Vs。器件的最大電流為12001400mA/mm，最大跨導(dǎo)400450mS/mm，擊穿電壓大于80V，fT 6070GHz，fmax 85100GHz。MOCVD GaN HEMT在40GHz的微波功率測試結(jié)果顯示，漏電壓為30V時(shí)，PAE為33％。MBE GaN HEMT也顯示了很好的微波功率結(jié)果，在40GHz漏電壓為30V時(shí)，PAE為29％。但是，較低的PAE和fmax限制了器件的增益，只有57dB。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140170GHz。器件的柵長過短使得柵對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。為了在加強(qiáng)對二維電子氣的束縛的同時(shí)不降低擊穿電壓。如上圖所示，因此加強(qiáng)了對二維電子氣的束縛。柵長為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，而且夾斷特性明顯變差；而對于帶InGaN背勢壘層的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柵長帶InGaN背勢壘層的GaN HEMT fT最高達(dá)153GHz， fmax最高達(dá)230GHz。功率測試表明，功率密度雖然沒有明顯提高，但PAE從50％提高到6469％。最近，西方發(fā)達(dá)國家特別是美國在繼續(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方面的絕對優(yōu)勢，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)，而且在未來的外太空探索和宇宙開發(fā)中占得先機(jī)。美國休斯公司采用InP HEMT工藝研發(fā)了一款Q波段低噪聲放大器。其中，～、增益大于20dB、。在應(yīng)用用領(lǐng)域，HXi公司和quinstar公司是美國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HLNAAK066和HLNAB282，增益分別為24dB和16dB左右，；quinstar公司有多種Q波段低噪聲放大器產(chǎn)品，增益在1846dB之間分布。 石墨烯毫米波器件優(yōu)勢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)測石墨烯的研究成果將對高端軍用系統(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，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、國內(nèi)外研究概況、水平和發(fā)展趨勢（一）國外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢2004年英國曼徹斯特大學(xué)的安德烈K海姆課題組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，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。，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。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200nm的石墨層。G．Chen等采用超聲波粉碎經(jīng)過酸插層的膨脹石墨，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襯底上生長出了20nm左右厚度的“花瓣?duì)睢钡氖⒀芯苛宋⒉üβ蚀笮κ蚊驳挠绊憽?006年Niyogi等研究了用十八胺對氧化石墨表面進(jìn)行改性，制得長鏈烷基改性石墨。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有任何化學(xué)穩(wěn)定劑的情況下，通過控制石墨層間的靜電力，制備出了在水中穩(wěn)定分散的石墨烯溶液。2007年，Zhu等通過調(diào)整合成碳納米管的參數(shù)，在沒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出了納米石墨微片。這種納米薄膜垂直生長在襯底上，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，1300℃下，使SiC薄膜中的Si原子蒸發(fā)出來，生成連續(xù)的二維石墨烯薄膜。這種方法制備出來的二維石墨烯薄膜厚度僅為12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Heer等真空退火的方法，制得的石墨烯薄膜的均勻性及質(zhì)量都大大改善。許多發(fā)達(dá)國家都對石墨烯的研究投入了大量的人力和財(cái)力。美國近年來對石墨烯的經(jīng)費(fèi)投入非常巨大，大大推動(dòng)了他們在該方面的科學(xué)進(jìn)展。在匹茲堡舉行的美國物理學(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場討論分會(huì)探討有關(guān)這種材料的問題。韓國科學(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，美國普渡大學(xué)研制出SiC上石墨烯材料的遷移率為18700cm2V1s1。2008年3月，IBM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)越來越明顯，使器件信噪比惡化。這種現(xiàn)象就是“豪格規(guī)則(Hooge39。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)鍵問題之一。IBM通過重疊兩層石墨烯，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)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，通過自組形式形成單層石墨烯。末光教授的團(tuán)隊(duì)通過控制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100150平方微米面積的兩層石墨膜，%。其他科研團(tuán)隊(duì)利用傳統(tǒng)方法的晶格畸變率為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JeongSun Moon表示，該器件擁有全球最高的場遷移率，約6000cm2/Vs，是現(xiàn)階段最先進(jìn)硅基nMOSFET的68倍。他們使用Aixtron的VP508 CVD反應(yīng)設(shè)備，通過從6HSiC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、鉑和金的合金，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，它擁有簡單的計(jì)算能力，標(biāo)制著碳基電子學(xué)時(shí)代的到來。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，IBM的研究人員展示了一種由SiC單晶襯底上生長石墨烯材料制作而成的場效應(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。這一成就是美國國防部高級(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。， 林育明等人運(yùn)用SiC高溫升華法，把2英寸4HSiC Si面襯底在1450℃下高溫退火，制得大部分由單層石墨烯覆蓋的2英寸片。經(jīng)氧等離子體刻蝕形成溝道區(qū)，熱蒸發(fā)源漏金屬電極，ALD方法制備柵電介質(zhì)，最終制備出柵長為90nm，截止頻率fT達(dá)到170GHz的FET器件。2011年6月10日，IBM 的研究人員在《Science》上發(fā)表了晶圓級(jí)石墨烯集成電路的最新結(jié)果，將石墨烯場效應(yīng)晶體管和電感單片集成在SiC襯底上，研制出最高可工作到10GHz的寬帶混頻器集成電路，如下圖所示。IBM最新研制的石墨烯混頻器照片科學(xué)家們認(rèn)為，這項(xiàng)突破可能預(yù)示著，未來可用石墨烯圓片來替代硅晶片，相關(guān)研究發(fā)表在最新一期《Science》雜志上。該集成電路建立在一塊SiC上，并且由一些石墨烯場效應(yīng)晶體管組成。去年，IBM公司托馬斯沃森研究中心科學(xué)家林育明領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)展示了首塊基于石墨烯的晶體管，其能在100 GHz的頻率上運(yùn)行，但這次，該團(tuán)隊(duì)將其整合進(jìn)一塊完整的集成電路中。按照美國電氣與電子工程師學(xué)會(huì)（IEEE）出版的《IEEE波普》雜志的解釋，這塊集成電路是一個(gè)寬頻無線電頻率混頻器，該集成電路通過找出兩個(gè)輸入頻率的和與差來輸出新的無線電信號(hào)?？茖W(xué)家們表示，最新的石墨烯集成電路混頻最多可達(dá)10GHz，而且其可以承受125℃的高溫。正如IBM 公司負(fù)責(zé)科研的副總裁陳自強(qiáng)博士表示，石墨烯的一大優(yōu)勢在于其中的電子可實(shí)現(xiàn)極高速的傳輸，這對于下一代高速、高性能晶體管的研發(fā)來說是至關(guān)重要的。上述一系列技術(shù)突破清楚地表明了石墨烯在高性能器件和集成電路方面的巨大應(yīng)用前景。美國已經(jīng)把石墨烯定位于最可能取代Si材料的下一代半導(dǎo)體材料，軍方、企業(yè)界、大學(xué)都花了很大的人力、財(cái)力、物力進(jìn)行石墨烯材料和器件的研究。DAPRA統(tǒng)籌規(guī)劃，從石墨烯材料制備、器件工藝、電路等方向齊頭并進(jìn)，最終制作出W波段的低噪聲放大器。能夠放大微波射頻信號(hào)的元件有很多，速調(diào)管和行波管專門用于高功率場合下放大微波射頻信號(hào)，而且噪聲很高；參量放大器可用于低噪聲放大，但是帶寬較窄；利用半導(dǎo)體材料的雪崩效