石墨烯应用前景及国内外研究现状及发展趋势

2008年3月，IBM沃森研究中心的科学家在世界上率先制成了基于SiC衬底的低噪声石墨烯晶体管。普通的纳米器件随着尺寸的减小，被称做1/f的噪音会越来越明显，使器件信噪比恶化。这种现象就是"豪格规则(Hooge's law)"，石墨烯、碳纳米管以及硅材料都会产生该现象。因此，如何减小1/f噪声成为实现纳米元件的关键问题之一。IBM通过重叠两层石墨烯，试制成功了晶体管。由于两层石墨烯之间生成了强电子结合，从而控制了1/f噪音。IBM华裔研究人员林育明的该发现证明，两层石墨烯有望应用于各种各样的领域。

IBM采用双层石墨烯结构降低器件噪声

2008年6月底，日本东北大学电通信所末光真希教授将SiC在真空条件下加热至1000多度，除去硅而余下碳，通过自组形式形成单层石墨烯。末光教授的团队通过控制SiC形成时的结晶方向和Si衬底切割的结晶方向，得到了100×150平方微米面积的两层石墨膜，其晶格畸变率仅为1.7%。其他科研团队利用传统方法的晶格畸变率为20%，因而不能制成可实际应用的器件。

2009年5月，HRL实验室宣称在高质量2英寸石墨烯薄膜及其射频场效应晶体管方面取得了突破，下图显示了器件的结构和电子输运特性。HRL资深科学家Jeong-Sun Moon表示，该器件拥有全球最高的场迁移率，约6000cm²/Vs，是现阶段最先进硅基n-MOSFET的6-8倍。他们使用Aixtron的VP508 CVD反应设备，通过从6H-SiC晶体中升华硅的方法，成功制成了石墨烯薄膜。之后使用标准的光刻胶工艺和氧反应离子刻蚀技术制备了晶体管。源极和漏极接触是钛、铂和金的合金，使用原子层沉积技术制备20nm厚的氧化铝栅电介质，事实上这样做捕获了界面电荷，可能会导致器件性能下降。

HRL实验室在2英寸石墨烯薄膜上的射频场效应晶体管

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2009年，意大利的科研人员成功地用石墨烯制造了首枚包含两个晶体管的集成电路，它拥有简单的计算能力，标制着碳基电子学时代的到来。这枚只有两个晶体管的集成电路虽然很小，却是向制造碳基高性能电子器件迈出的重要一步。

在2010年2月出版的《Science》杂志上，IBM的研究人员展示了一种由SiC单晶衬底上生长石墨烯材料制作而成的场效应晶体管（FET），其截止频率可达100 GHz，这是运行速度最快的射频石墨烯晶体管。这一成就是美国国防部高级研究计划局(DARPA)"碳电子射频应用项目" (CERA)取得的重大进展，为研发下一代通信设备铺平了道路。研究人员通过使用与现行的先进硅器件制造技术相兼容的加工技术制成了晶圆规模、外延生长的石墨烯，从而达成了此高频记录。

2010年6月，石墨烯FET突破上次记录。来自IBM公司的Ph.Avouris， 林育明等人运用SiC高温升华法，把2英寸4H-SiC Si面衬底在1450℃下高温退火，制得大部分由单层石墨烯覆盖的2英寸片。经氧等离子体刻蚀形成沟道区，热蒸发源漏金属电极，ALD方法制备栅电介质，最终制备出栅长为90nm，截止频率f_T达到170GHz的FET器件。

2011年6月10日，IBM 的研究人员在《Science》上发表了晶圆级石墨烯集成电路的最新结果，将石墨烯场效应晶体管和电感单片集成在SiC衬底上，研制出最高可工作到10GHz的宽带混频器集成电路，如下图所示。

IBM最新研制的石墨烯混频器照片

科学家们认为，这项突破可能预示着，未来可用石墨烯圆片来替代硅晶片，相关研究发表在最新一期《Science》杂志上。该集成电路建立在一块SiC上，并且由一些石墨烯场效应晶体管组成。去年，IBM公司托马斯·沃森研究中心科学家林育明领导的团队展示了首块基于石墨烯的晶体管，其能在100 GHz的频率上运行，但这次，该团队将其整合进一块完整的集成电路中。按照美国电气与电子工程师学会（IEEE）出版的《IEEE波普》杂志的解释，这块集成电路是一个宽频无线电频率混频器，该集成电路通过找出两个输入频率的和与差来输出新的无线电信号。科学家们表示，最新的石墨烯集成电路混频最多可达10GHz，而且其可以承受125℃的高温。

正如IBM 公司负责科研的副总裁陈自强博士表示，石墨烯的一大优势在于其中的电子可实现极高速的传输，这对于下一代高速、高性能晶体管的研发来说是至关重要的。上述一系列技术突破清楚地表明了石墨烯在高性能器件和集成电路方面的巨大应用前景。

美国已经把石墨烯定位于最可能取代Si材料的下一代半导体材料，军方、企业界、大学都花了很大的人力、财力、物力进行石墨烯材料和器件的研究。DAPRA统筹规划，从石墨烯材料制备、器件工艺、电路等方向齐头并进，最终制作出W波段