微電子所在石墨烯電子器件研制整體突破

石墨烯材料具有優(yōu)良的物理特性和易于與硅技術(shù)相結合的特點(diǎn)，被學(xué)術(shù)界和工業(yè)界認為是推進(jìn)微電子技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展的極具潛力的材料。日前，中國科學(xué)院微電子研究所微波器件與集成電路研究室(四室)石墨烯研究小組成員(麻M、郭建楠、潘洪亮)在金智研究員和劉新宇研究員的帶領(lǐng)下，分別在采用微機械剝離方法、SiC外延生長(cháng)法和化學(xué)氣相淀積(CVD)法生長(cháng)出的新型石墨烯材料上，成功研制出高性能的石墨烯電子器件。

(一)微機械剝離石墨烯器件

研究小組首先采用微機械剝離法得到幾百平方微米的大面積石墨烯材料，在此基礎上，創(chuàng )新的采用了具有自主知識產(chǎn)權的復合柵介質(zhì)結構，開(kāi)發(fā)了細柵條器件工藝，解決了器件制備中的關(guān)鍵工藝問(wèn)題，開(kāi)發(fā)出完整的石墨烯器件工藝流程，實(shí)現了石墨烯電子器件的制備，如圖1(左)所示。測試數據表明，器件最高截止頻率達到18GHz(圖1(右)所示)，達到國內石墨烯電子器件的最高水平。

圖1. (左)石墨烯電子器件SEM照片 (右)石墨烯器件測試結果

石墨烯器件直流特性

(二)SiC外延生長(cháng)石墨烯器件

研究小組在SiC外延生長(cháng)法制備的2英寸晶圓級石墨烯材料上，開(kāi)發(fā)了完整的具有自主知識產(chǎn)權的石墨烯雙柵器件工藝流程，實(shí)現了晶圓級石墨烯電子器件的大規模制備，如圖2(a)所示。測試數據表明，器件整體性能達到GHz以上，最高截止頻率達到4.6GHz(圖2(b)所示)，器件成品率達到 90%以上，成為國內首家公開(kāi)報道在SiC外延方法生長(cháng)石墨烯上制備出截止頻率達GHz以上的團隊。

圖2(a) . 采用SiC外延生長(cháng)法制備晶圓級石墨烯電子器件照片

圖2(b). 石墨烯器件測試結果

(三)化學(xué)氣相淀積(CVD)石墨烯器件

在銅箔上采用化學(xué)氣相淀積(CVD)方法制備的大面積石墨烯材料上，實(shí)現了晶圓級石墨烯電子器件的規?；苽?。測試數據顯示，器件整體性能在 500MHz以上，最高截止頻率達到1.1GHz(圖3所示)，器件成品率達到80%以上，成為國內首個(gè)公開(kāi)報道的在CVD方法生長(cháng)石墨烯上制備出截止頻率達到GHz以上的團隊。

微電子所在石墨烯電子器件研制上獲得整體突破

圖3. 采用CVD方法生長(cháng)石墨烯制備晶圓級器件的圖片和測試結果

在晶圓級石墨烯材料上制備出電子器件，不同于以往常用的微機械剝離法制備石墨烯上實(shí)現單個(gè)電子器件，它的實(shí)現為今后更深入的研究不同特征尺寸器件性能，為實(shí)現石墨烯基集成電路提供了重要的基礎，也是石墨烯基電子器件大規模制備的先決條件，具有非常重大的意義。

在電子器件研制的過(guò)程中，研究小組非常重視自主知識產(chǎn)權的保護，已經(jīng)申請近20項專(zhuān)利，并有數篇論文已遞交國際頂級科學(xué)雜志，極大提升了微電子所在石墨烯電子器件方面的科研實(shí)力。研究小組認為，應該把握石墨烯優(yōu)異的物理特性與硅集成電路相結合，給集成電路帶來(lái)革命性變革這一重大機遇，突破石墨烯材料和器件發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)，打造石墨烯從材料到器件的完整科研鏈條，實(shí)現我國半導體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和跨越。