IBM使用石墨烯制造模擬IC 與電感器等實現(xiàn)“混載”

美國IBM公司于當(dāng)?shù)貢r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個柵極長為550nm的GFET、2個電感器以及4個端子焊盤組成。電感器采用了當(dāng)局部振蕩器（LO）的頻率為5GHz左右時，轉(zhuǎn)換損耗最小的設(shè)計。1枚芯片的尺寸約為900μm×600μm。

工作情況基本與設(shè)計相符，在輸入4GHz LO頻率和3.8GHz模擬信號時，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，無需補償電路。當(dāng)LO頻率為4GHz時，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，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械式剝離法和CVD法。而且，使用這些方法時，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，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，進而形成 HSQ（hydrogen silsesquioxane）薄膜的。此時，使用電子光束（EB），通過光刻形成圖案。當(dāng)EB照射到HSQ時，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。