IBM使用石墨烯制造模擬IC 與電感器等實(shí)現(xiàn)“混載”

 美國IBM公司于當(dāng)?shù)貢r(shí)間2011年6月9日宣布，在SiC晶元上集成使用石墨烯作為通道的晶體管（GFET）和電感器，制作出了最大工作帶寬超過10GHz的混頻器IC。詳細(xì)內(nèi)容已經(jīng)在2011年6月10日的學(xué)術(shù)雜志《科學(xué)》（Science）上發(fā)表。

混頻器是無線通信電路中用于調(diào)制頻率的重要電路。這次的混頻器IC由1個(gè)柵極長為550nm的GFET、2個(gè)電感器以及4個(gè)端子焊盤組成。電感器采用了當(dāng)局部振蕩器（LO）的頻率為5GHz左右時(shí)，轉(zhuǎn)換損耗最小的設(shè)計(jì)。1枚芯片的尺寸約為900μm×600μm。

工作情況基本與設(shè)計(jì)相符，在輸入4GHz LO頻率和3.8GHz模擬信號時(shí)，輸出了7.8GHz的頻率和以及200MHz的頻率差。高次諧波在與GFET連接的電感器上獲得了大幅衰減。

該IC的寄生電容影響和特性溫度依賴性較小。而且還具備無需外置被動部件的特征。溫度依存性更是遠(yuǎn)小于一般的混頻器IC，即使把溫度從300K提高到400K，轉(zhuǎn)換損耗的變化也不到1dB，無需補(bǔ)償電路。當(dāng)LO頻率為4GHz時(shí)，轉(zhuǎn)換損耗為27dB。

論文指出在此之前，能夠在數(shù)GHz下工作的混頻器已經(jīng)有基于GaAs的類型。GaAs混頻器在LO為1.95GHz時(shí)，轉(zhuǎn)換損耗為7dB。但另一方面，由于無法混載電感器等元件，因此需要外置被動部件。

使用SiC熱分解法制造GFET

使用GFET制作混頻器電路此前也曾有過先例。但形成石墨烯薄膜的方法大多是利用膠帶從石墨上剝離石墨烯的機(jī)械式剝離法和CVD法。而且，使用這些方法時(shí)，GFET呈現(xiàn)兩極性，會根據(jù)加載的柵極電壓，轉(zhuǎn)變?yōu)閚型或p型。

此次，IBM使用SiC分解法，在SiC晶元上形成了2～3層石墨烯薄膜。此時(shí)，GFET只顯示n型特性。

SiC熱分解法是把SiC基板的表面加熱到1400℃以上，只使Si脫離的方法。在形成石墨烯薄膜后，向其表面涂布PMMA，進(jìn)而形成 HSQ（hydrogen silsesquioxane）薄膜的。此時(shí)，使用電子光束（EB），通過光刻形成圖案。當(dāng)EB照射到HSQ時(shí)，會產(chǎn)生氧等離子。氧等離子與石墨烯的C發(fā)生反應(yīng)，從而形成圖案。

端子焊盤和柵極電極使用的是Pd和Au，GFET的絕緣層使用的是Al2O3。電感器是疊加Al層之后，通過利用EB形成圖案制成的。