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        微電子所制備出具有極高振蕩頻率的石墨烯射頻器件

        近日,中國科學院微電子研究所在石墨烯材料及器件研制領域取得整體突破。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、轉移和石墨烯射頻器件的制備進行了深入、系統的研究,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,由于其優異的電學、光學性質以及穩定的化學特性,在微電子領域具有廣闊的應用前景?;瘜W氣相沉積方法是取得高質量石墨烯的重要途徑之一,但將石墨烯從金屬表面向目標襯底的轉移是制約該方法推廣的“瓶頸”。四室研究團隊創造性地采用瓊脂糖凝膠作為固體電解質,利用電化學方法實現了石墨烯的綠色高效轉移。該轉移方法可推廣至大尺寸石墨烯薄膜的制備,為石墨烯的大規模應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,這種結構會導致轉移后的石墨烯薄膜產生大量有序排列的褶皺。四室研究團隊通過制備出特殊結構的石墨烯射頻器件,圍繞褶皺對石墨烯中載流子傳輸的影響展開了研究,發現這種有序的褶皺會導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。該發現為制備高性能的石墨烯射頻器件提供了重要的參考依據。

        在石墨烯射頻器件的制備過程中,已有的柵介質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特殊的化學結構,避免了對石墨烯性能的不利影響,實現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生不利影響。作為傳統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和非接觸區材料的薄膜電阻,發現兩者有很大的差異。進一步的理論分析表明,石墨烯不同區域薄膜電阻的差異會導致傳統的TLM方法提取得到的接觸電阻與實際值有很大偏差,該發現對測試方法的改良和石墨烯射頻器件性能的優化具有重要價值。

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