在過去的二十幾年，低噪聲技術(shù)有了長遠的發(fā)展。在80年代早期，低噪聲放大器的噪聲性能已經(jīng)相當(dāng)出色了，然而其體積重量都比較大，功耗也比較大。衛(wèi)星地面終端對低噪聲、重量輕、低功耗以及高可靠性同時提出了要求，當(dāng)時的低噪聲放大器還很難同時達到上述要求。隨著分子束外延(MBE)和金屬有機化合物化學(xué)汽相淀積(MOCVD)等晶體生長技術(shù)、“能帶工程”原理在器件設(shè)計中的成功應(yīng)用，以及電路匹配技術(shù)，器件工藝技術(shù)的發(fā)展，人們開發(fā)了許多新型的半導(dǎo)體器件。除砷化鉀場效應(yīng)晶體管(GaAs FET)外，其佼佼者有高電子遷移率晶體管(HEMT)和異質(zhì)結(jié)雙極晶體管(HBT)。1981年法國Thomson-CSF公司研制成功第一個低噪聲HEMT，在10GHz下，NF為2.3dB，Ga為10.3dB。在之后的五年里，HEMT已取得了顯著的進展，成為公認(rèn)的最適于毫米波應(yīng)用的低噪聲器件之一。在60GHz下，用GaAs基的HEMT器件能夠達到N_F＝1.7dB，Ga＝7.6dB。InP-HEMT在1987年問世之后的幾年里，噪聲性能已提高到令人驚奇的程度，是目前毫米波高端應(yīng)用最好的低噪聲器件。在60GHz下，InP-HEMT能夠達到N_F＝0.9dB，Ga＝8.6dB。目前，用HEMT制作的多級低噪聲放大器已廣泛用于衛(wèi)星接收系統(tǒng)、電子系統(tǒng)及雷達系統(tǒng)。

微波電路是以微波混合集成電路(MIC)的形式出現(xiàn)的，它是把微波無源元件制作在塑料、陶瓷、藍寶石等介質(zhì)基片上。再把微波半導(dǎo)體器件裝配(焊接)在基片上。1989年，由混合微波集成電路技術(shù)制成的三階InP基放大器在60-65GHz頻段內(nèi)，已達到噪聲系數(shù)3.0dB，其相關(guān)增益為22dB。三年以后，使用0.1μm InP基HEMT制成的三階放大器在60GHz下已達到1.6dB的噪聲系數(shù)，其相關(guān)增益16dB。

高電子遷移率晶體管及異質(zhì)結(jié)雙極晶體管的出現(xiàn)和GaAs工藝的成熟，給微波單片集成電路(MMIC)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。在MMIC中，通常由各種器件、集總參數(shù)元件和分布參數(shù)元件按照一定的電路拓撲排列而構(gòu)成。從電路的結(jié)構(gòu)上來看，這和混合微波集成電路有著很多相似的方面，兩者既有聯(lián)系又有區(qū)別。在MMIC中的元件包括有源元件和無源元件兩類。主要是利用MESFET或HEMT作為有源元件。無源元件除了各種形狀的傳輸線構(gòu)成的分布參數(shù)元件外，一些集總元件也經(jīng)常使用。

進入90年代，隨著晶體材料技術(shù)和微細加工技術(shù)的發(fā)展，毫米波MMIC進入實用化階段。MMIC開始主要應(yīng)用于軍用系統(tǒng)，90年代以來，MMIC在商用產(chǎn)品中開拓了廣闊的市場。這主要是商用無線通信市場，如低軌道衛(wèi)星移動通信、環(huán)球定位衛(wèi)星系統(tǒng)等。

國內(nèi)研究發(fā)展情況

我國的相關(guān)科研單位如中科院、中國電科及部分高等院校也積極開展了石墨烯的研究，包括石墨烯的理論研究、材料制備、測試以及器件制作等。

中科院物理研究所王恩哥等采用剝離-再嵌入-擴張的方法成功地制備了高質(zhì)量石墨烯。電學(xué)測量表明，所制備的石墨烯在室溫和低溫下都具有高的電導(dǎo)，比通常用還原氧化石墨方法獲得的石墨烯的電導(dǎo)高2個數(shù)量級。中國科學(xué)院化學(xué)所的研究人員探索了一種以圖案化的金屬層作為催化劑制備圖案化石墨烯的方法，并成功地將其應(yīng)用于有機場效應(yīng)晶體管。研究結(jié)果表明，石墨烯是一種性能優(yōu)異的有機場效應(yīng)晶體管電極材料。低的載流子注入勢壘和良好的電極半導(dǎo)體接觸是器件具有高性能的主要原因。這一研究進展為有機場效應(yīng)晶體管和石墨烯的發(fā)展奠定了良好的基礎(chǔ)。中科院數(shù)學(xué)與系統(tǒng)科學(xué)研究院明平兵研究員及合作者劉芳、李巨的計算結(jié)果預(yù)測了石墨烯的理想強度。

有機固體院重點實驗室研究人員在化學(xué)氣相沉積法制備石墨烯的過程中通入氨氣作為氮源，得到了氮摻雜石墨烯樣品，并對其電學(xué)性質(zhì)進行了研究，發(fā)現(xiàn)氮摻雜石墨烯顯示出n 型導(dǎo)電特征，和理論研究的結(jié)果相吻合。

中國科學(xué)院金屬研究所沈陽材料科學(xué)國家（聯(lián)合）實驗室先進碳材料研究部研究員成會明、任文才研究小組在石墨烯的控制制備、結(jié)構(gòu)表征與物性的研究方面取得了一系列新的進展。

中國科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家實驗室的高鴻鈞研究組成功制備了毫米級高度有序的、連續(xù)的、單晶的石墨烯。主要是通過優(yōu)化生長條件獲得了理想的毫米級外延石墨烯二維單晶材料，并以詳盡的實驗與理論研究對此進行了證實。

中科院微電子所微波器件與電路研究室金智研究員領(lǐng)導(dǎo)課題組采用微機械剝離的方法成功制作出1000μm²以上不同層厚的石墨烯材料，并研制出背柵型結(jié)構(gòu)石墨烯場效應(yīng)晶體管。

山東大學(xué)已成功在2英寸SiC襯底上制備出大面積的石墨烯，由AFM圖可看到明顯石墨烯梯田結(jié)構(gòu)。另外，山東大學(xué)在激光調(diào)制方面利用石墨烯做了大量研究工作，獲得了良好的實驗結(jié)果。將SiC上生長的石墨烯材料用于Nd:LuVO₄激光的被動調(diào)Q，在16W的泵浦功率下獲得的最大平均輸出功率、脈沖重復(fù)頻率、脈寬分別為474mW，795KHz和56.2ns。分別如下圖所示。

石墨烯的AFM像

輸入輸出功率曲線 輸入功率-脈寬頻率曲線

五十五所在MOSFET器件和電路方面開展了相關(guān)研究，具備了一定的技術(shù)基礎(chǔ)。

國內(nèi)外對比分析

由于國內(nèi)研究起步較晚，雖然在石墨烯的研究方面也取得了一定的成績，但是目前國內(nèi)石墨烯及器件技術(shù)同國外，特別是同美國相比有較大差距。主要表現(xiàn)在以下幾個方面：
（1） 石墨烯只限于小面積生長，目前主要集中于厘米量級的石墨烯制備，厚度均勻性、可生產(chǎn)性和重復(fù)性較差。
（2） 理論與實際工作差異較大。超高真空和一定壓力下，生長模型未能完全確立，國際上理論模擬結(jié)果與實驗結(jié)果相差較大，尚不能為材料的實驗工作提供正確的理論指導(dǎo)，在本項目的器件研制中，將進行器件建模并應(yīng)用到實際工作中，達到理論與實際的完美結(jié)合。
（3） 石墨烯材料用于制備電子器件禁帶寬度的引入和控制問題國外尚未定論。本項目將納入此研究內(nèi)容，提高材料和器件性能。
（4） 石墨烯是新興二維材料，器件設(shè)計和工藝與傳統(tǒng)工藝有很大差異，如超薄層歐姆接觸、低損傷介質(zhì)沉積、器件低開關(guān)比等。
（5） SiC襯底上的石墨烯場效應(yīng)晶體管和電路研究國內(nèi)目前尚未見報道。

期望通過本課題研究，在突破晶圓級石墨烯材料生長機理和關(guān)鍵技術(shù)的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)石墨烯FET器件的制備，提高國內(nèi)石墨烯材料和器件的研制水平，縮小與國外的差距。

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