近日，中國科學(xué)院微電子研究所在石墨烯材料及器件研制領(lǐng)域取得整體突破。微電子所微波器件與集成電路研究室（四室）研究員金智帶領(lǐng)的團隊在國家和中科院科研項目的支持下，對石墨烯的材料生長、轉(zhuǎn)移和石墨烯射頻器件的制備進行了深入、系統(tǒng)的研究，制備出了具有極高振蕩頻率的石墨烯射頻器件，取得了一系列重要成果。

石墨烯作為一種新型的二維碳材料，由于其優(yōu)異的電學(xué)、光學(xué)性質(zhì)以及穩(wěn)定的化學(xué)特性，在微電子領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。化學(xué)氣相沉積方法是取得高質(zhì)量石墨烯的重要途徑之一，但將石墨烯從金屬表面向目標(biāo)襯底的轉(zhuǎn)移是制約該方法推廣的“瓶頸”。四室研究團隊創(chuàng)造性地采用瓊脂糖凝膠作為固體電解質(zhì)，利用電化學(xué)方法實現(xiàn)了石墨烯的綠色高效轉(zhuǎn)移。該轉(zhuǎn)移方法可推廣至大尺寸石墨烯薄膜的制備，為石墨烯的大規(guī)模應(yīng)用提供了可行的途徑。

生長石墨烯所用的金屬襯底在制備過程中會在表面形成有序的形貌起伏，這種結(jié)構(gòu)會導(dǎo)致轉(zhuǎn)移后的石墨烯薄膜產(chǎn)生大量有序排列的褶皺。四室研究團隊通過制備出特殊結(jié)構(gòu)的石墨烯射頻器件，圍繞褶皺對石墨烯中載流子傳輸?shù)挠绊懻归_了研究，發(fā)現(xiàn)這種有序的褶皺會導(dǎo)致石墨烯中載流子的傳輸具有各向異性的特點：平行于褶皺方向的載流子遷移率比垂直方向的顯著提高。該發(fā)現(xiàn)為制備高性能的石墨烯射頻器件提供了重要的參考依據(jù)。

在石墨烯射頻器件的制備過程中，已有的柵介質(zhì)制備方法在工藝的可控性和器件性能方面具有一定的缺陷。四室研究團隊利用旋涂的方法在石墨烯表面形成BCB薄膜，并以此作為種子層進行了氧化鋁介電層的沉積生長。該方法不僅具有極好的工藝可控性，由于BCB特殊的化學(xué)結(jié)構(gòu)，避免了對石墨烯性能的不利影響，實現(xiàn)了高性能石墨烯射頻器件的制備。

石墨烯與金屬電極之間的接觸電阻會影響石墨烯射頻器件的柵控，從而對器件的頻率特性產(chǎn)生不利影響。作為傳統(tǒng)薄膜材料研究方法的延伸，目前主要通過TLM方法對石墨烯和金屬之間的接觸進行表征和測量。四室研究團隊通過測定石墨烯接觸區(qū)和非接觸區(qū)材料的薄膜電阻，發(fā)現(xiàn)兩者有很大的差異。進一步的理論分析表明，石墨烯不同區(qū)域薄膜電阻的差異會導(dǎo)致傳統(tǒng)的TLM方法提取得到的接觸電阻與實際值有很大偏差，該發(fā)現(xiàn)對測試方法的改良和石墨烯射頻器件性能的優(yōu)化具有重要價值。

圖1. 電化學(xué)腐蝕Cu示意圖

圖2. 石墨烯FET器件測試結(jié)果

圖3. BCB種子層工藝流程、器件結(jié)構(gòu)

圖4. 不同區(qū)域石墨烯能級差異、對金屬石墨烯接觸電阻的影響