【摘要】：石墨烯因其優(yōu)越的電學(xué)性質(zhì)成為近年備受矚目的納米電子材料。本文參考了學(xué)術(shù)界最新的科研成果,對石墨烯的射頻電子學(xué)應(yīng)用進(jìn)行了較為系統(tǒng)的研究。首先,圍繞載流子遷移率和柵控展開討論,它們是石墨烯場效應(yīng)管性能的決定性因素。表面修飾方面的研究發(fā)現(xiàn)多種自組裝分子層(SAM)具有提高石墨烯載流子遷移率的作用,以苯環(huán)為終端的SAM尤其提升載流子遷移率超過三倍。半懸空溝道的石墨烯場效應(yīng)管,作為一種新結(jié)構(gòu),通過將溝道部分撐起,獲得超過40000cm2v-1s-1的載流子遷移率。針對柵控問題,開發(fā)了埋柵技術(shù)從而避免在石墨烯上生長柵介質(zhì)的難題,獲得等效氧化層厚度約3 nm的柵介質(zhì)。隨后,制備了柵長在200 nm~1.5μm的射頻場效應(yīng)管,最高獲得截止頻率fT=33.7 GHz和最高震蕩頻率fmax=36.5 GHz,由于低電阻埋柵的引入,fmax為目前最高水平之一。作為對器件工藝的反饋,建立了石墨烯場效應(yīng)管小信號模型。為進(jìn)一步獲得在電路仿真上的便捷性,參考已有工作建立起完備的石墨烯場效應(yīng)管大信號模型,并以Verilog-A語言實(shí)現(xiàn)。在電路集成方面,充分考慮石墨烯的二維材料性質(zhì),開發(fā)了一套無源元件在先,有源器件在后的倒置集成工藝。利用CMOS后段工藝完成無源元件和石墨烯場效應(yīng)管埋柵結(jié)構(gòu),隨后脫離CMOS工藝線進(jìn)行石墨烯轉(zhuǎn)移和后續(xù)器件制備。該方法使石墨烯免受后段工藝沾污,同時(shí)最大程度的利用現(xiàn)有成熟的CMOS技術(shù)。將倒置集成工藝和器件建模的工作運(yùn)用在三種石墨烯電路:1)石墨烯倍頻器。該電路集成了一個(gè)石墨烯場效應(yīng)管和一個(gè)片上電感,獲得-26 dB轉(zhuǎn)換增益和4 GHz帶寬,為同類工作最好水平,視其為倒置集成工藝綜合優(yōu)勢的體現(xiàn)。2)石墨烯混頻。制備了單管阻性混頻器和基于這一結(jié)構(gòu)的四管雙平衡混頻器。后者將三階交調(diào)點(diǎn)提高至21 dBm,并獲得純凈的輸出頻譜。該電路的集成度也是目前最高的,單片集成了四個(gè)石墨烯場效應(yīng)管,四個(gè)片上螺旋電感和四個(gè)MIM電容。3)石墨烯分布式放大器。該電路以傳輸線的方式將多個(gè)石墨烯場效應(yīng)管跨導(dǎo)疊加從而獲得增益,為克服石墨烯難以實(shí)現(xiàn)放大的固有缺點(diǎn)提供了一種行之有效的解決方案。應(yīng)用大信號模型和場效應(yīng)管實(shí)測數(shù)據(jù)分別進(jìn)行了電路仿真,獲得優(yōu)異的仿真結(jié)果。
【學(xué)位授予單位】：清華大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TN386

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本文編號：2757279