【摘要】：石墨烯因其優(yōu)越的電學性質(zhì)成為近年備受矚目的納米電子材料。本文參考了學術界最新的科研成果,對石墨烯的射頻電子學應用進行了較為系統(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管,作為一種新結構,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管小信號模型。為進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管大信號模型,并以Verilog-A語言實現(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管埋柵結構,隨后脫離CMOS工藝線進行石墨烯轉移和后續(xù)器件制備。該方法使石墨烯免受后段工藝沾污,同時最大程度的利用現(xiàn)有成熟的CMOS技術。將倒置集成工藝和器件建模的工作運用在三種石墨烯電路:1)石墨烯倍頻器。該電路集成了一個石墨烯場效應管和一個片上電感,獲得-26 dB轉換增益和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構的四管雙平衡混頻器。后者將三階交調(diào)點提高至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,單片集成了四個石墨烯場效應管,四個片上螺旋電感和四個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石墨烯場效應管跨導疊加從而獲得增益,為克服石墨烯難以實現(xiàn)放大的固有缺點提供了一種行之有效的解決方案。應用大信號模型和場效應管實測數(shù)據(jù)分別進行了電路仿真,獲得優(yōu)異的仿真結果。
【學位授予單位】：清華大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TN386

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本文編號：2757279