【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，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小型無人駕駛飛機雷達是美國Martin Mariett公司為陸軍研制的94GHz雷達系統(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，對敵方目標的識別性能勝過紅外前視系統(tǒng)；美國Hughes公司研制的Wasp空地導彈在用94GHz主動/被動復合制導系統(tǒng)，在嚴重地物雜波的環(huán)境下不但可以發(fā)現(xiàn)、識別目標，而且還具有選擇不同目標的能力。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施將我國的宇航事業(yè)更上一層新的臺階，各種星載雷達、宇航通信裝備的需求將大大增強，毫米波電路系統(tǒng)更是其中的關鍵部件，它對我國航天事業(yè)的發(fā)展和進步尤起著至關重要的作用。另外，未來的外太空探索研究和各種星球探測器的登陸設備均需要毫米波電路進行控制和通信?，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工藝設計了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波段主要用于移動通信基站， 在X波段主要有電子對抗、相控陣雷達等軍事應用。越來越多的GaN HEMT研究將工作頻率擴展到Ka波段（2640GHz）甚至毫米波段，目標是取代行波管放大器應用于雷達以及衛(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的抑制對器件結(jié)構(gòu)的設計提出了新的挑戰(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，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，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)和短溝道效應是導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。短溝道效應導致器件出現(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。為了在加強對二維電子氣的束縛的同時不降低擊穿電壓。如上圖所示，因此加強了對二維電子氣的束縛。柵長為150nm的GaN HEMT跨導曲線隨漏電壓的變化，普通GaN HEMT的跨導特性隨漏電壓的增大不斷退化，夾斷電壓從漏電壓10V時的5V減小到50V時的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時夾斷特性仍然非常好。器件的頻率特性也得到了相應的改善，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153GHz， fmax最高達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，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)實現(xiàn)了裝備化，這種領先的電子裝備不但使他們的軍事實力大大增強，而且在未來的外太空探索和宇宙開發(fā)中占得先機。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、。在應用用領域，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)級芯片（SoC）應用。石墨烯器件工藝與傳統(tǒng)的CMOS工藝兼容，是器件關鍵材料的更新?lián)Q代的首選。專家預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，在低噪聲放大應用中有很大的優(yōu)勢，能廣泛的應用于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熱點。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年諾貝爾物理學獎。由于石墨烯嚴格的二維結(jié)構(gòu)，它蘊涵著許多新的物理以及潛在應用，因此它成為目前科學研究的熱點之一。，石墨烯受到全世界科學家的廣泛關注，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，還原后化合物的導電性增加了1個數(shù)量級。2005年Srivastava等采用微波增強化學氣相沉積法，在Ni包裹的Si襯底上生長出了20nm左右厚度的“花瓣狀”的石墨片，并研究了微波功率大小對石墨片形貌的影響。2006年Niyogi等研究了用十八胺對氧化石墨表面進行改性，制得長鏈烷基改性石墨。Li等在Stankovich等研究的基礎上，利用還原氧化石墨的方法在沒有任何化學穩(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“花瓣狀”納米片。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氣保護氛圍下將SiC進行高溫退火，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)達國家都對石墨烯的研究投入了大量的人力和財力。美國近年來對石墨烯的經(jīng)費投入非常巨大，大大推動了他們在該方面的科學進展。在匹茲堡舉行的美國物理學會年會上，石墨烯是科學家們談論的主要話題。研究人員用23場討論分會探討有關這種材料的問題。韓國科學家在制備大尺寸、高質(zhì)量的石墨烯薄膜方面取得了突破性進展。根據(jù)《Nature》報道，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度，其電學特性也是現(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。可惜這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研制出100mm直徑的石墨烯晶片。2011年初，美國普渡大學研制出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產(chǎn)生該現(xiàn)象。因此，如何減小1/f噪聲成為實現(xiàn)納米元件的關鍵問題之一。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，兩層石墨烯有望應用于各種各樣的領域。 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。末光教授的團隊通過控制SiC形成時的結(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，%。其他科研團隊利用傳統(tǒng)方法的晶格畸變率為20%，因而不能制成可實際應用的器件。2009年5月，HRL實驗室宣稱在高質(zhì)量2英寸石墨烯薄膜及其射頻場效應晶體管方面取得了突破，下圖顯示了器件的結(jié)構(gòu)和電子輸運特性。HRL資深科學家JeongSun Moon表示，該器件擁有全球最高的場遷移率，約6000cm2/Vs，是現(xiàn)階段最先進硅基nMOSFET的68倍。他們使用Aixtron的VP508 CVD反應設備，通過從6HSiC晶體中升華硅的方法，成功制成了石墨烯薄膜。之后使用標準的光刻膠工藝和氧反應離子刻蝕技術(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)，事實上這樣做捕獲了界面電荷，可能會導致器件性能下降。HRL實驗室在2英寸石墨烯薄膜上的射頻場效應晶體管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晶體管的集成電路，它擁有簡單的計算能力，標制著碳基電子學時代的到來。這枚只有兩個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晶體管（FET），其截止頻率可達100 GHz，這是運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研究計劃局(DARPA)“碳電子射頻應用項目” (CERA)取得的重大進展，為研發(fā)下一代通信設備鋪平了道路。研究人員通過使用與現(xiàn)行的先進硅器件制造技術(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)表了晶圓級石墨烯集成電路的最新結(jié)果，將石墨烯場效應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家們認為，這項突破可能預示著，未來可用石墨烯圓片來替代硅晶片，相關研究發(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晶體管組成。去年，IBM公司托馬斯沃森研究中心科學家林育明領導的團隊展示了首塊基于石墨烯的晶體管，其能在100 GHz的頻率上運行，但這次，該團隊將其整合進一塊完整的集成電路中。按照美國電氣與電子工程師學會（IEEE）出版的《IEEE波普》雜志的解釋，這塊集成電路是一個寬頻無線電頻率混頻器，該集成電路通過找出兩個輸入頻率的和與差來輸出新的無線電信號?？茖W家們表示，最新的石墨烯集成電路混頻最多可達10GHz，而且其可以承受125℃的高溫。正如IBM 公司負責科研的副總裁陳自強博士表示，石墨烯的一大優(yōu)勢在于其中的電子可實現(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材料的下一代半導體材料，軍方、企業(yè)界、大學都花了很大的人力、財力、物力進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，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，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；利用半導體材料的雪崩效