【正文】 性能好、動(dòng)態(tài)范圍大等優(yōu)點(diǎn)。到了六十年代中期，由于平面外延工藝的發(fā)展，雙極晶體管能夠應(yīng)用于微波射頻波段。量子放大器的噪聲系數(shù)最好，但是它龐大而且昂貴。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。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?？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。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。該集成電路建立在一塊SiC上，并且由一些石墨烯場(chǎng)效應(yīng)晶體管組成。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(chǎng)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。 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。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。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(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。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)代的到來(lái)。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。HRL資深科學(xué)家JeongSun 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nMOSFET的68倍。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。 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。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。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。這種現(xiàn)象就是“豪格規(guī)則(Hooge39。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。2011年，美國(guó)賓夕法尼亞大學(xué)研制出100mm直徑的石墨烯晶片。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。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。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}。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。這種方法制備出來(lái)的二維石墨烯薄膜厚度僅為12碳原子層。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。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力，制備出了在水中穩(wěn)定分散的石墨烯溶液。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⒀芯苛宋⒉üβ蚀笮?duì)石墨片形貌的影響。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。，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)。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(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)。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。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。美國(guó)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。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6469％。器件的頻率特性也得到了相應(yīng)的改善，其中fmax提高了18％。如上圖所示，因此加強(qiáng)了對(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。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。去除鈍化介質(zhì)后，器件的fT 提高到130GHz，fmax 提高到140170GHz。但是，較低的PAE和fmax限制了器件的增益，只有57dB。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)，PAE為33％。MOCVD GaN HEMT在40GHz的微波功率測(cè)試結(jié)果 HEMT導(dǎo)帶示意圖Mishra等人研制了柵長(zhǎng)為160nm GaN HEMT器件，1013cm2，遷移率1350cm2/Vs，1013cm2，遷移率1500cm2/Vs。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。目前大多數(shù)GaN HEMT研究針對(duì)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(duì)抗、相控陣?yán)走_(dá)等軍事應(yīng)用。2008年，美國(guó)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、。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、。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。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。美國(guó)Northrop Grumman已經(jīng)研制了1024單元的3mm焦平面器件。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，其海面搜索系統(tǒng)和檢測(cè)能力用于搜索潛望鏡。格公司聲稱，當(dāng)整個(gè)升級(jí)計(jì)劃完成后，B2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。整個(gè)B2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”1～3）。加裝上述設(shè)備是B2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，諾據(jù)諾格魯門(mén)公司近日宣布，B2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。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“殺手锏”，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。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。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，抗干擾和抗截收能力強(qiáng)。 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。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必要。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。毫米波頻段低噪聲放大器作為AEHF衛(wèi)星通信系統(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。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。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。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。在這些場(chǎng)合，幾乎普遍采用熱電致冷和非致冷型式。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。而今天，除了一些特殊應(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。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。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。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。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。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。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。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)。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。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５驮肼暦糯笃魇抢走_(dá)、電子對(duì)抗及遙測(cè)遙控接受系統(tǒng)等的關(guān)鍵部件。如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。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%。如下表所示：第一階段的目標(biāo)有兩個(gè)：①初步確立石墨烯薄膜合成生長(zhǎng)工藝，②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)：①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，②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。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。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。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。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。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(mén)綜合性工程技術(shù)。 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)。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。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。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25dB之間。（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。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。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