石墨烯潜力无限,射频与光电子器件再获突破

　   石墨烯是一种由sp2共轭碳原子组成的只有单原子层厚的二维晶体，以其独特结构蕴含丰富的新物理、新化学特性和新奇效应，成为兼有优良的力学、热学、光学和电学特性于一体的神奇材料，可用于传感、生物、能源、信息、环保、显示触控、复合/导热/导电/防腐材料等领域。

　　我国目前在石墨烯粉体材料生产、超级电容器、锂离子电池、导电油墨、防腐涂料、散热、透明电极等领域的研究和投入较多。但对于石墨烯在高端信息领域，包括石墨烯射频器件、石墨烯光电器件、石墨烯集成电路芯片、石墨烯光电集成芯片等领域的研究和投入较少。而欧美国家则更关注石墨烯在高端信息领域的研发。事实上，石墨烯凭借超高的载流子迁移率、宽波段的光电响应特性，十分适合研制高性能射频器件和光电子器件，在信息领域大有作为。

　　石墨烯光调制器

　　石墨烯的费米能级可以通过外电场调节，不同的费米能级对应不同的石墨烯/光耦合强度，从而实现可调吸收系数。基于石墨烯可调的光吸收特性，加州大学伯克利分校研究人员等人利用单层石墨烯和双层石墨烯分别实现了对空间入射光的反射系数的调制，反射特性与石墨烯材料的能带结构关系密切，对费米能级的调节导致了反射系数的变化。

　　除了空间入射光调制外，将石墨烯转移到硅光波导表面可以实现波导型调制。硅光波导具有两个作用，一是实现对石墨烯费米能级的调节，二是传导光信号。利用硅波导结构能够增强光信号与石墨烯的相互作用，从而增强对光信号的调制作用，实现了0.1dB/μm的消光，是世界上最小的宽带电光调制器。我们另辟蹊径，利用石墨烯的良好热学特性和硅微环的热敏特性，研制了首个石墨烯热光调制器，实现了最快的热光调制。

　　石墨烯激光器

　　石墨烯具有饱和吸收特性：当光功率较弱时，石墨烯狄拉克点附近的能带未被填满，石墨烯的光吸收率保持不变；当光功率很强时，石墨烯狄拉克点附近的能带被填满，由于泡利阻塞效应，石墨烯不能继续吸收光子而实现饱和吸收。利用石墨烯的饱和吸收特性，新加坡国立大学的鲍桥梁等人借助光纤系统实现的世界上第一只基于石墨烯的锁模激光器，获得了脉宽756fs、重复频率1.79MHz的脉冲激光输出。中国科学院半导体研究所王圩院士团队利用石墨烯光栅实现对III-V族激光器的选模，成功研制出高温度稳定性的单模激光器。该激光器首次实现了石墨烯、III-V材料、硅的集成，有望解决硅基光电子最大的难题——片上光源，具有重要的意义。

　　石墨烯光电探测器

　　石墨烯作为零带隙材料，具有超宽谱光吸收的优势。金属-石墨烯-金属结构是以石墨烯为有源区材料的光电探测器的最基本的结构，在石墨烯材料两端布置两个金属电极，实现光电流信号的输出。受益于石墨烯的零带隙特性，石墨烯光探测器具有超宽光学带宽；受益于石墨烯超高载流子迁移率，石墨烯光探测器理论上具有500GHz的电学带宽；受益于石墨烯的可调光响应特性，石墨烯光探测器的光电响应高效可调；受益于石墨烯的可饱和吸收特性，石墨烯光探测器具有非线性光响应。

　　由于石墨烯光探测器具有如此多的优良特性，是最可能实现产业化应用的方向之一。在实验室，人们已经在六寸晶圆上实现了大批量高性能石墨烯光探测器的制作，这表明将石墨烯光探测器商用化指日可待。

　　石墨烯倍频器

　　频率倍频器是一种重要的射频器件，能够将低频信号的频率成倍提高，广泛应用于现代通信和雷达等多个领域。传统的倍频器一般基于非线性电子器件，例如场效应晶体管或者整流结。受限于传统体材料电子器件较弱的非线性特性，传统倍频器的频谱纯度很低，需要复杂的滤波系统来提高倍频信号的纯度，从而大大提高了倍频器的成本。

　　新型二维材料石墨烯具有较低的态密度，具有电可调谐双极性传输特性，可实现具有很强非线性特性的GFET。利用GFET能实现高纯度且结构简单的新型三倍频器，同时可实现高性能的倍增因子可调的倍频器。我们利用表面分布微晶的石墨烯研制了纯度最高的三倍频器（94%），同时采用双栅结构首次研制了倍频因子可调的倍频器，可实现两倍频、三倍频、四倍频。理论上，通过合理设计器件结构，可以实现任意倍频系数的倍频器。考虑到石墨烯具有超高的载流子迁移率，基于GFET的倍频器将会被广泛应用于高频电子领域。

　　石墨烯光电混频器

　　石墨烯特殊的能带结构决定其对光独特的响应特性。一方面，GFET作为一种场效应器件，其电学特性受栅源漏电压调控；另一方面，由于石墨烯缺少带隙，GFET呈现出源漏电流弱饱和特性。将以上特性结合，让GFET作为光探测的同时，利用其非线性实现混频，即石墨烯光电混频器。我们于2015年首次研制了石墨烯光电混频器，可实现“光域”信号和“电域”信号的直接混频。2016年，法国Thales集团和法国国家科学研究中心（CNRS）的研究人员基于我们提出的光电混频器原理，研制了载波频率为30GHz的光电混频器，等效变频损耗约35dB。日本东京大学和NTT公司的研究人员于2016年也发表了类似的GFET光电混频器，实现了120GHz的光电混频。

　　石墨烯光电混频器可用于光载射频系统（RoF）中。传统的RoF光载射频信号需先经过光电探测器转换为射频电信号，再用射频混频器下变频为中频信号。而石墨烯光电混频器，采用一个器件，即可以同时实现光探测和解调功能。如果石墨烯光电混频器的增益足够高，还可以同时兼有放大的功能。也就是说，通过石墨烯光电混频器一个器件，可以替代传统RoF系统中的探测器、放大器、混频器，从而简化系统。

　　石墨烯双光混频器

　　利用石墨烯非线性特性除了可以实现上述光电混频器外，还可以实现双光混频器，即可以实现两束不相干光信号的探测和混频。在信息爆炸式增长的今天，人们对高带宽、低延时通信的需求日益强烈。光通信网络因其大容量、高速率、低损耗、高可靠度和低成本的优势，在远距通信以及核心网组建中取代传统的电网络是大势所趋。因此急需一种高带宽的新型光电接口来解决海量信号高速传输问题。

　　双光混频器能够同时实现光信号的探测和混频，借助一个器件能够完成传统光信号探测器和电信号混频器两个器件的功能。将双光混频器用于光电接口，能够大大简化光电接口系统的复杂度，大幅度降低信号延时。新材料石墨烯具有超高载流子迁移率和超快宽光谱响应特性，是最合适的光探测器有源区材料，基于石墨烯的高性能光探测器已经取得重要进展。我们利用石墨烯光探测器的非线性光响应实现了光信号和光信号的直接混频，利用光信号直接对光载电信号的探测和解调，具有巨大潜力应用到全光通信网络和ROF通信网络中。

　　石墨烯晶体管

　　在石墨烯被发现的2004年，人们就利用石墨烯研制石墨烯场效应晶体管（GFET）。第一只GFET利用硅衬底作为背栅，利用二氧化硅作为栅极绝缘层。其电导率呈现明显U型（或称为V型）特性，因此可看做栅压控制的可变电阻，其输出阻抗和跨导都很小，性能较差。

　　石墨烯场效应管可以分为背栅和顶栅两种。背栅结构GFET一般采用重掺的硅作为背栅电极，在硅上生长二氧化硅作为栅氧化层，在其上转移一层石墨烯作为沟道，在石墨烯沟道上做上金属源漏。背栅GFET制作简单，栅与源漏之间一般有较大的寄生电容，而且栅氧化层一般难以做到很薄，因此性能不高。顶栅结构GFET最早是在SiC外延生长的石墨烯上制成的，其流程一般是在SiC表面的石墨烯上先制作源漏电极，然后用源漏电极作为对准的掩膜，在石墨烯表面制作栅氧化层，最后再制作顶栅电极。

　　目前已证明制作出性能良好的GFET比较优秀的工艺方法主要有：自对准工艺和T型栅工艺。将这两种方法结合的T栅自对准工艺GFET，特征频率（fT）和最大谐振频率（fmax）已分别达到400GHz和100GHz。

　　石墨烯集成电路

　　在单个石墨烯晶体管基础上，人们也试图尝试研制石墨烯集成电路。IBM公司最早对石墨烯晶体管的集成做了初步探索，其通过在碳化硅衬底上高温（1400度）外延生长石墨烯、淀积栅绝缘层和三层金属铝来实现石墨烯晶体管和无源器件的单片集成。该芯片是世界上首个石墨烯集成电路芯片，单片集成了一个石墨烯晶体管和两个电感，可以实现混频的功能，但是芯片性能不佳，在200MHz和7.8GHz的频率下的损耗高达27dB和52dB。

　　随后IBM对集成方案和工艺进行了改进，在硅衬底上采用先淀积金属互连层和电介质层，最后转移石墨烯的方法实现了3个石墨烯晶体管、4个电感、3个电容、2个电阻的单片集成，可以实现射频接收功能，在4.3GHz下混频损耗为10dBm。该芯片是真正意义上的石墨烯集成电路，可以实现多个有源器件和无源器件的集成，成功实现了下变频接收功能。

　　石墨烯光电集成

　　如上所述，基于石墨烯的集成电路芯片的研究还不成熟，能集成的石墨烯晶体管数量有限，且性能欠佳。基于石墨烯晶体管的集成电路短期内还很难与硅晶体管集成电路抗衡，难以实现实用化的大规模集成。与石墨烯电子器件相反，石墨烯光电子器件的零带隙结构决定了它在宽波段范围内具有良好的光电响应特性，可覆盖可见光到中远红外波段，在太赫兹波段也具有良好的光电响应特性。且石墨烯的光电特性可被外电场调制，可实现功能丰富的光电器件。因此基于石墨烯的光电子器件具有比硅基光电子器件更好的性能和更广阔的应用。

　　由此可见，石墨烯和硅各自在光电子和微电子领域有明显的优势，将二者结合可充分发挥石墨烯在宽波段光电响应的优势和硅在电信号放大和处理方面的优势，实现宽波段、高性能、高集成度的石墨烯光电集成芯片。石墨烯与硅CMOS电路单片集成充分结合了石墨烯优良的光学特性和硅基集成电路绝佳的电学特性，是突破后摩尔时代集成电路芯片性能瓶颈的重要途径。

　　我们将石墨烯探测器和硅基CMOS集成电路芯片单片集成，首次研制了单片集成石墨烯光接收芯片，实现了石墨烯光电集成芯片。该光电集成芯片的光电探测功能由石墨烯来实现，光电流放大功能由硅基CMOS集成电路来实现，充分发挥了石墨烯在长波段光电探测和硅在信号放大处理方面的优势。在单个石墨烯探测器基础上，将多个石墨烯探测器阵列和硅基CMOS电路集成即可实现成像的功能。由于石墨烯在红外波段具有良好的光电响应特性，因此可实现红外成像的功能。

　　石墨烯光电集成红外成像芯片具有很高的灵敏度，且可工作在室温下，避免了传统InGaAs红外成像芯片需要复杂的液氮制冷，具有低成本、高集成度、高成品率的优势，在红外成像领域具有广阔市场前景。

　　总结与展望

　　石墨烯凭借超高的载流子迁移率、费米能级高效可调、宽波段的光电响应特性，十分适合研制高性能射频器件和光电子器件。超高的载流子迁移率使其可以实现超高速射频器件；费米能级高效可调使其具备丰富的非线性特性，可以实现频率变换的射频器件；宽波段的光电响应特性使其可以实现宽光谱响应的光电器件，突破了传统半导体光电子器件只能响应特定波长的限制。基于石墨烯的射频器件和光电子器件弥补了硅在该领域的不足，展示了与传统半导体材料不同的优良特性，真正发挥了石墨烯卓越的材料特性，可用于射频、太赫兹、光通信、红外成像等领域，是石墨烯潜在的“杀手锏”应用领域。