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IBM用石墨烯制成混頻器IC,將用于模擬電路

2011-07-14

  美國IBM公司利用以石墨烯作通道的晶體管(GFET)等制成了混頻器IC。從GFET的形成、層疊到電感器和布線的集成,均在晶圓上一次性制成,首次展現了采用石墨烯的IC量產的可能性。

  此次制成的混頻器IC因尺寸非常小,顯示出了其特性溫度依存性小,而且可在10GHz的大帶寬工作等出色性能。IBM稱今后的目標是將GFET混載于更復雜的電路中。

IBM以前制作的GFET的示意圖  

IBM以前制作的GFET的示意圖(點擊放大)

  在SiC基板上外延生長

  混頻器是無線通信中用于調制頻率的電路。此次的混頻器IC由1個柵極長為550nm的GFET、2個電感器以及4個端子焊盤等組成(圖1)。試制芯片的尺寸約為900μm×600μm。

  試制時,首先用熱分解法令石墨烯膜在SiC基板上外延生長。具體為,把SiC基板的表面加熱至1400℃,只令Si從表面2~3層的SiC結晶中脫離出來。剩下的C會自動形成石墨烯膜。該石墨烯膜顯示出n型半導體的特性。

GFET和電感器混載于一枚芯片上  

圖:GFET和電感器混載于一枚芯片上(點擊放大)

  圖中展示了IBM開發的混頻器IC。在利用熱分解法形成石墨烯后,依次制作布線層的源漏電極、柵極電極及電感器。柵極長為550nm,通道寬度為30μm。

  在該石墨烯膜上制作掩模,使用基于電子光束(EB)的光刻技術在石墨烯膜上形成圖案。然后,層疊源漏電極。在形成作為柵極絕緣膜的Al2O3后,形成柵極電極。接著通過使用墊片疊加Al層,以EB加工成電感器。

  在評價此次的試制品時,確認了其可按照設計工作。即輸入4GHz的局部振蕩(LO)頻率和3.8GHz的模擬信號時,輸出了這兩種頻率的和7.8GHz及差200MHz。

  此次混頻器IC使用了高價的SiC基板,這是其實用化所面臨的主要課題。不過,與使用GaAs、工作頻率為幾GHz的混頻器IC產品相比,還是有其優勢的。因為現有混頻器IC無法混載電感器,需要外置被動部件。

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