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混频器石墨电感器IBM使用石墨烯制造模拟IC 与电感器等实现“混载”

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美国IBM公司于当地时间2011年6月9日宣布,在SiC晶元上集成使用石墨烯作为通道的晶体管(GFET)和电感器,制作出了最大工作带宽超过10GHz的混频器IC。详细内容已经在2011年6月10日的学术杂志《科学》(Science)上发表。

混频器是无线通信电路中用于调制频率的重要电路。这次的混频器IC由1个栅极长为550nm的GFET、2个电感器以及4个端子焊盘组成。电感器采用了当局部振荡器(LO)的频率为5GHz左右时,转换损耗最小的设计。1枚芯片的尺寸约为900μm×600μm。

工作情况基本与设计相符,在输入4GHzLO频率和3.8GHz模拟信号时,输出了7.8GHz的频率和以及200MHz的频率差。高次谐波在与GFET连接的电感器上获得了大幅衰减。

该IC的寄生电容影响和特性温度依赖性较小。而且还具备无需外置被动部件的特征。温度依存性更是远小于一般的混频器IC,即使把温度从300K提高到400K,转换损耗的变化也不到1dB,无需补偿电路。当LO频率为4GHz时,转换损耗为27dB。

论文指出在此之前,能够在数GHz下工作的混频器已经有基于GaAs的类型。GaAs混频器在LO为1.95GHz时,转换损耗为7dB。但另一方面,由于无法混载电感器等元件,因此需要外置被动部件。

使用SiC热分解法制造GFET

使用GFET制作混频器电路此前也曾有过先例。但形成石墨烯薄膜的方法大多是利用胶带从石墨上剥离石墨烯的机械式剥离法和CVD法。而且,使用这些方法时,GFET呈现两极性,会根据加载的栅极电压,转变为n型或p型。

此次,IBM使用SiC分解法,在SiC晶元上形成了2~3层石墨烯薄膜。此时,GFET只显示n型特性。

SiC热分解法是把SiC基板的表面加热到1400℃以上,只使Si脱离的方法。在形成石墨烯薄膜后,向其表面涂布PMMA,进而形成HSQ(hydrogensilsesquioxane)薄膜的。此时,使用电子光束(EB),通过光刻形成图案。当EB照射到HSQ时,会产生氧等离子。氧等离子与石墨烯的C发生反应,从而形成图案。

端子焊盘和栅极电极使用的是Pd和Au,GFET的绝缘层使用的是Al2O3。电感器是叠加Al层之后,通过利用EB形成图案制成的。

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