基于石墨烯的微波毫米波器件在国防航空领域的应用

从上世纪80年代初起，美国国防部尖端技术研究规划署(DARPA)、国家航空和宇航局(NASA)一直重点进行毫米波固态器件和电路的研究，已经取得了令人瞩目的成果，已应用于新型武器装备上，如下表所示。

毫米波段武器应用举例

对于硅器件，其工作频率最多达到GHz范围，而W波段或更高频率的MMIC所用的材料主要是InP-HBT、HEMT或者GaAs-MHEMT。其中国际上最新报道的InP MMIC低噪声放大器在W波段，噪声系数在2-5dB之间。但是，In资源正逐渐减少，同时InP单晶生长较难，易碎，且迁移率较难进一步提高，其器件性能已接近极限水平，人们一直在寻找迁移率和热导率更高的材料，晶片级石墨烯的出现有望解决这些难题。利用石墨烯超高速迁移率可以提高器件工作频率达到毫米波段，利用双层石墨烯的设计可有效避免豪格规则实现超低噪声特性，其意义不言而喻。目前，美国DARPA计划已将石墨烯研究方向定为毫米波低噪声放大器。

为了与时俱进，支持未来的国防现代化建设，实现灵活移动、快速反应、安全隐蔽的军事、宇航通信，满足21世纪新的和平事业和世界局势发展需要，研制石墨烯超高频低噪声器件显得异常必要。

军事用途

未来战争环境下，自动化、电子化、轻型化和信息化将成为军事发展的主要趋势。石墨烯由于其突出的物理和化学性能，将在军事方面大有作为，主要应用在军事航天、军事探测、极高频卫星通信系统等。

在军事航天领域，军事航天技术是以军事应用为目的、开发和利用太空的一门综合性工程技术。迄今世界各国共发射了5700多个航天器，其中70%用于军事目的。太空也已经成为未来战争的战场，为了掌握太空战场的控制权，各国都在加紧发展军事航天技术，而微电子技术则是基础技术之一。美国"战略防御倡议"（即星球大战计划）中的空间监视系统采用了超高速集成电路和微波毫米波单片集成电路（MMIC）。从表面上看，微电子电路分布在庞大的系统中的各个地方，其实却起着举足轻重的作用。

半导体微波毫米波器件的应用频段

和目前的3mm波段的主流产品InP基材料器件和电路比较起来，SiC衬底的高硬度和高热导率保障了器件的成品率和散热性。电子在石墨烯中是以隧穿的方式运动，器件的驱动电压可以很低。SiC衬底上的石墨烯是一种适合制备W波段或更高频低噪声放大器的材料。

美国国防先期研究计划局DARPA斥资2200万美元，开展CERA（射频应用的碳电子，Carbon Electronics for RF Applications）项目，用于研究石墨烯及基于石墨烯（Graphene）沟道的超高速、超低噪声、超低功耗的场效应晶体管，以满足高端毫米波系统的应用需求。CERA计划始于2008年7月，终于2012年9月，分为三个阶段。如下表所示：

第一阶段的目标有两个：①初步确立石墨烯薄膜合成生长工艺，②验证石墨烯沟道FET制作工艺的可行性；第二阶段也有两个目标：①完善薄膜材料生长工艺，力求生长厚度精确控制在一个原子层，②演示超高速石墨烯FET；最后的第三阶段着重材料及器件性能、可生产性及可集成性的后期优化工作。最终成果是演示一个W波段（＞90GHz）的低噪声放大器，噪声系数≤1dB。计划不仅要求电路产出圆片尺寸达到8英寸，并且要求整张圆片的成品率优于90%。

如果在接收系统的前端连接高性能的低噪声放大器，在低噪声放大器增益足够大的情况下，就能抑制后级电路的噪声，则整个接收机系统的噪声系数蒋主要取决于放大器的噪声。如果低噪声放大器的噪声系数降低，接收机系统的噪声系数也会变小，信噪比得到改善，灵敏度大大提高。由此可见低噪声放大器的性能制约了整个接收系统的性能，对于整个接收系统技术水平的提高，也起了决定性的作用。

低噪声放大器是雷达、电子对抗及遥测遥控接受系统等的关键部件。L、S波段低噪声放大器一般用于遥测、遥控系统。在电子对抗、雷达侦察中，由于要接收的信号的频率范围未知，其实频率范围也是要侦察的内容之一，所以要求接收系机的频率足够宽，那么放大器的频率也要求足够宽。而且，雷达侦察接收的是雷达发射的折射波，是单程接收；而雷达接收的是目标回波，从而使侦察机远在雷达作用距离之外就能提早发现雷达目标。灵敏度高的接收机侦察距离就远，如高灵敏度的超外差式接收机可以实现超远程侦察，用以监视敌远程导弹的发射，所以，要增高侦察距离，就要提高接收机灵敏度，就要求高性能的低噪声放大器。

在国际卫星通信应用中，