石墨烯場(chǎng)效應(yīng)管及其在太赫茲技術(shù)中的應(yīng)用

， ， ，

(1. 廈門大學(xué) 電子科學(xué)與技術(shù)學(xué)院， 現(xiàn)代電路與系統(tǒng)研究所， 福建 廈門361005；2. 玉林師范學(xué)院 電子與通信工程學(xué)院， 復(fù)雜系統(tǒng)優(yōu)化與大數(shù)據(jù)處理廣西高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 廣西 玉林537000)

1 前言

石墨烯是單原子厚度的二維碳同素異形體材料，具有六角蜂巢的晶格結(jié)構(gòu)[1]。自2004年被報(bào)道通過膠帶剝離的方式獲取并發(fā)現(xiàn)其電子特性后[2]，石墨烯因出色的電學(xué)、熱學(xué)、光學(xué)、力學(xué)特性而得到廣泛關(guān)注與研究，并被應(yīng)用于生物檢測(cè)、醫(yī)學(xué)、新能源、微電子、射頻(RF)電路等領(lǐng)域[3-6]，被認(rèn)為是未來高頻率、高速度器件的可靠替代材料[7]，也是延長(zhǎng)半導(dǎo)體電子摩爾定律生效的重要可選方案[8]。過去十多年，摩爾定律使得主流半導(dǎo)體電子進(jìn)入了一個(gè)動(dòng)態(tài)發(fā)展的時(shí)期，并使得晶體管的價(jià)格每年降低25%，且市場(chǎng)年增長(zhǎng)率達(dá)到17%[9]。這其中的關(guān)鍵問題是基于硅的金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管(Si-MOSFETs)體積不斷縮小。如今，7 nm溝道長(zhǎng)度的FETs已量產(chǎn)，而5 nm溝道長(zhǎng)度的器件也有望在未來實(shí)現(xiàn)[8]。

然而，MOSFETs的微縮并非永遠(yuǎn)都能實(shí)現(xiàn)，其必然遇到極限體積的瓶頸，同時(shí)也會(huì)面臨短溝道效應(yīng)、寄生效應(yīng)惡化、量子行為等問題的挑戰(zhàn)，尤其是當(dāng)溝道長(zhǎng)度小于10 nm時(shí)的情況。因此，研究新的器件結(jié)構(gòu)，尋找新的溝道材料已成為當(dāng)前半導(dǎo)體行業(yè)突破瓶頸的一個(gè)急迫任務(wù)。例如，Siers等實(shí)現(xiàn)了一款包含4個(gè)CPU和1個(gè)GPU的Inter@片上系統(tǒng)(System On Chip，簡(jiǎn)稱SOC)。該SOC采用三柵極晶體管結(jié)構(gòu)(Tri-gate transistor)來提高溝道的控制并實(shí)現(xiàn)低壓操作[10]。而以III-V族化合物InP為溝道材料的MOSFETs，在相同的溝道長(zhǎng)度下，其轉(zhuǎn)移跨導(dǎo)比以Si為溝道材料的器件高60%[11]。此外，文獻(xiàn)[12]所述MOSFETs器件以InGaAs為溝道材料，在20 nm柵極長(zhǎng)度時(shí)，其載流子遷移率超過了10 000cm2/(V·s)，轉(zhuǎn)移跨導(dǎo)高達(dá)3.1 mS/μm，是典型的高電子遷移率晶體管(High electron mobility transistor，簡(jiǎn)稱HEMT)。

2007年，Lemme等制造了第一個(gè)以單層石墨烯為溝道材料的頂柵場(chǎng)效應(yīng)器件(Field effect device，簡(jiǎn)稱FED)，并證明了其相比于Si-MOSFETs更高的遷移率[13]，之后，基于石墨烯的場(chǎng)效應(yīng)(Graphene based field-effect transistors，簡(jiǎn)稱GFETs)備受半導(dǎo)體業(yè)界所關(guān)注。憑借石墨烯超高的電子遷移率與超薄的材料厚度，GFETs獲得了良好的傳輸性能，同時(shí)比HEMT具有更大的體積微縮空間與更低的造價(jià)。由于石墨烯超薄的平面結(jié)構(gòu)特性，GFETs器件在縮小體積時(shí)，其性能沒有明顯降低，而且與現(xiàn)行CMOS技術(shù)工藝相兼容，使得它成為未來高性能、高集成度芯片的高競(jìng)爭(zhēng)力選擇[14]。然而，石墨烯零帶隙的能帶結(jié)構(gòu)，使得GFETs在復(fù)雜的邏輯電路中難以關(guān)斷。盡管一些方法可以實(shí)現(xiàn)石墨烯帶隙的打開，比如采用石墨烯納米帶與雙層石墨烯，或者對(duì)石墨烯施加應(yīng)力等，但因一系列的挑戰(zhàn)而尚未能在現(xiàn)有的半導(dǎo)體工藝中實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。

因此，在當(dāng)下，石墨烯基場(chǎng)效應(yīng)管在半導(dǎo)體電子中主要應(yīng)用于模擬的射頻、太赫茲等非邏輯系統(tǒng)[15]。太赫茲(Terahertz，簡(jiǎn)稱THz)是指尚未被商業(yè)開發(fā)利用的0.1 T～10 THz電磁波段，因其在生物鑒定、醫(yī)學(xué)診斷、無(wú)損成像、高速通信等領(lǐng)域的巨大應(yīng)用前景而在近年被廣泛關(guān)注與研究。由于是介于微波與紅外輻射之間的電磁波頻段，太赫茲內(nèi)的器件同時(shí)存在著電子傳導(dǎo)與光學(xué)現(xiàn)象，并使微波段內(nèi)的傳統(tǒng)波向光學(xué)區(qū)域內(nèi)的量子光子過渡。此外，凝聚態(tài)物質(zhì)中的一些低能級(jí)激發(fā)現(xiàn)象(例如：離子激發(fā)、磁振子、超導(dǎo)能隙)也可在太赫茲波段中發(fā)生，而固體中發(fā)生的載流子散射、隧穿、重組等現(xiàn)象在太赫茲波段內(nèi)的產(chǎn)生時(shí)長(zhǎng)僅是皮秒級(jí)[16]。太赫茲在電磁頻譜中的特殊位置(電子器件和光學(xué)器件均涉及)，使得覆蓋該頻段的方法空前的多樣化，并對(duì)現(xiàn)代的固體器件提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的微波電子晶體管因固有的電子運(yùn)動(dòng)速度局限，隨著頻率向太赫茲頻段接近(>0.1 THz)，其性能快速地降低。而紅外光學(xué)器件也難以在頻率低于20 THz的情況下有良好應(yīng)用。因此，至今還未有成熟的固體器件被廣泛應(yīng)用于太赫茲頻段[17]。以石墨烯為溝道材料的GFETs因石墨烯超薄的材料厚度、超高的電子遷移速率和飽和速率，而成為當(dāng)前太赫茲技術(shù)的一種熱門器件，既被應(yīng)用于基本的太赫茲技術(shù)(如相關(guān)THz源、THz探測(cè)等)，也被應(yīng)用于復(fù)雜的太赫茲系統(tǒng)中(太赫茲通信系統(tǒng)、太赫茲醫(yī)療診斷系統(tǒng)等)。

筆者在本文簡(jiǎn)述GFETs的基本結(jié)構(gòu)、太赫茲相關(guān)的特性指標(biāo)以及制備工藝，并重點(diǎn)介紹其在太赫茲技術(shù)中的最新應(yīng)用。

2 石墨烯基場(chǎng)效應(yīng)管

2007年，ITRS將石墨烯作為新興器件的材料，并提出了建立全球開發(fā)石墨烯晶體管的研究計(jì)劃，之后不久，第一個(gè)GFETs就被報(bào)道證實(shí)[13]。此后，越來越多的團(tuán)隊(duì)成功地制造了石墨烯晶體管。例如，2010年，Lin Y-M團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了截止頻率為100 GHz的石墨烯基晶體管[18]，而后一年又制造了基于石墨烯的集成電路[19]。緊接著，GFETs在THz探測(cè)器[20]、RF柔性電子[21]、DNA生物傳感器[22]、THz寬帶調(diào)制器[23]等領(lǐng)域的應(yīng)用也陸續(xù)得到開發(fā)。據(jù)此可預(yù)測(cè)，未來將會(huì)有越來越多更高性能的不同用途GFETs被研究與應(yīng)用。本節(jié)將首先討論GFETs的基本結(jié)構(gòu)，然后分析其在太赫茲應(yīng)用中的相關(guān)特性，以期對(duì)相關(guān)研究工作者有一個(gè)概括性的幫助。

2.1 石墨烯場(chǎng)效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)

石墨烯場(chǎng)效應(yīng)晶體管按操作原理可分為：頂柵/背柵型、側(cè)柵型和隧穿型。

2.1.1 頂柵/背柵型

頂柵/背柵型GFETs是基于傳統(tǒng)MOSFETs原理的場(chǎng)效應(yīng)管，也是當(dāng)前最為普遍的石墨烯基場(chǎng)效應(yīng)管。常見的結(jié)構(gòu)形式有背柵型(Back-gated graphene FETs，簡(jiǎn)稱B-GFETs，又稱為底柵型場(chǎng)效應(yīng)管)、頂柵型(Top-gated graphene FETs，簡(jiǎn)稱 T-GFETs)與頂-底雙柵型(Top- and back-dual-gated graphene FETs)，如圖1所示。

2004年，Novoselov等提出了一種擁有背柵極的石墨烯場(chǎng)效應(yīng)管[24]，并證實(shí)了電場(chǎng)對(duì)多層石墨烯溝道電阻的控制作用，為B-GFETs的應(yīng)用提供了基礎(chǔ)。之后，B-GFETs常被設(shè)計(jì)作為化學(xué)與生物傳感器[22,25,26]。在圖1(a)所示的背柵型石墨烯場(chǎng)效應(yīng)管中，采用半導(dǎo)體物質(zhì)作為襯底材料，如摻雜后的硅與SiC，其中SiO2、HfO2、Al2O3是最常用的介電材料。由于溝道上方?jīng)]有頂柵極，B-GFETs避免了介電材料對(duì)溝道的影響，保持了石墨烯溝道的突出特性，但也因?yàn)闊o(wú)頂柵極，器件對(duì)溝道的控制需要在背柵極上施加較大的電壓，不利于器件的實(shí)際應(yīng)用。

相比于B-GFETs，頂柵型石墨烯場(chǎng)效應(yīng)管(圖1(b))在電路應(yīng)用上更具有彈性，也更易于集成應(yīng)用。但因?yàn)轫敄畔陆殡姴牧蠈?duì)溝道形成了更多的散射源，以及在制造工藝中更容易造成對(duì)石墨烯溝道的破壞，T-GFETs的載流子遷移率比B-GFETs低[27]。因此，如何保持高的載流子遷移率成為了制造高質(zhì)量T-GFETs需要考慮的關(guān)鍵因素之一。例如，F(xiàn)armer等采取了在溝道與頂柵介電層(HfO2)之間加入有機(jī)聚合物緩沖層(NFC 1400-3CP)的辦法，明顯地提高了T-GFETs的載流子遷移率[28]。圖1(c)為一種類似于MOSFETs結(jié)構(gòu)的雙柵石墨烯極場(chǎng)效應(yīng)管。其以導(dǎo)電襯底作為背柵極，金屬作為頂柵極，石墨烯作為連接源極與漏極的導(dǎo)電材料。

圖 1 頂柵/背柵型GFETs[27]:(a)背柵型;(b)頂柵型及(c)頂-底雙柵型

2.1.2 側(cè)柵型

2007年，Molitor等為了研究單層石墨烯的磁輸運(yùn)性質(zhì)而設(shè)計(jì)了一個(gè)具有4個(gè)側(cè)柵極的石墨烯霍爾棒[29]。3年后，一種金屬側(cè)柵極的雙極石墨烯場(chǎng)效應(yīng)管(SG-GFETs)也被提出[30]。該場(chǎng)效應(yīng)管以重?fù)诫sp型Si/SiO2基底作為背柵極，而兩個(gè)位于溝道同側(cè)的側(cè)柵極采用5 nm的Ti作為側(cè)柵極金屬，30 nm的Cu作為連接電極。之后，因具有良好的調(diào)制能力，且不存在因頂柵極需要而在溝道上沉積介電層造成石墨烯溝道遷移率大幅下降的問題，側(cè)柵結(jié)構(gòu)的石墨烯基場(chǎng)效應(yīng)管被作為新的GFETs類型而被重視。例如，文獻(xiàn)[31]提出了多種典型的SG-GFETs，并研究側(cè)柵極偏置電壓對(duì)溝道輸運(yùn)特性的調(diào)制作用(圖2(a))。而在同一年，H?hnlein等制作了一個(gè)具有高轉(zhuǎn)移跨導(dǎo)且更為簡(jiǎn)單直觀的側(cè)柵型石墨烯場(chǎng)效應(yīng)管[32]，該SG-GFETs沒有頂柵和背柵，只有兩個(gè)側(cè)柵極以及漏極、源極，見圖2(b)。

圖 2 側(cè)柵型GFETs：(a)SG-GFETs器件的原型結(jié)構(gòu)圖[31]及(b)SG-GFET器件的SEM照片[32]Fig. 2 Side-gated GFETs: (a)Structures of the SG-GFETs[31] device and (b) SEM image of SG-GFETs[32].

2.1.3 隧穿型

因單層石墨烯無(wú)帶隙的能帶結(jié)構(gòu)，石墨烯基場(chǎng)效應(yīng)管無(wú)法完全關(guān)斷(存在漏電流)，也即不存在理想的關(guān)狀態(tài)，是阻礙GFETs在邏輯電路應(yīng)用的最大障礙。同時(shí)，GFETs較大的非工作態(tài)電流(關(guān)態(tài)電流)可導(dǎo)致器件產(chǎn)生較大的靜態(tài)功耗，不利于大規(guī)模集成。而石墨烯基隧穿場(chǎng)效應(yīng)管是有別于傳統(tǒng)MOSFETs原理的新型石墨烯器件，因其很低的關(guān)態(tài)電流與較小的開/關(guān)門極電壓擺幅而被關(guān)注。例如，在2008年，采用石墨烯納米帶(GNR)的隧穿型場(chǎng)效應(yīng)管(Tunneling field-effect transistors，簡(jiǎn)稱TFETs)由Zhang Qin等提出，其結(jié)構(gòu)見圖3(a)[33]。該TFET以5 nm的石墨烯納米帶作為溝道材料，獲得了800 μA/um的開態(tài)電流和26 pA/um的關(guān)態(tài)電流，且開/關(guān)門極電壓擺幅只有0.1 V，亞閥值擺幅為0.19 mV/dec(遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)MOSFETs 60 mV/dec的最小值限制)。相比于ITRS在2007年對(duì)n-MOSFETs的預(yù)期目標(biāo)，它具有快5倍的速度，低20倍的動(dòng)態(tài)功率以及低280 000倍的關(guān)態(tài)功耗(靜態(tài)功耗)。

在圖3(a)中，TFET器件的源極和漏極分別通過摻雜形成n+、p+型，而溝道也被設(shè)計(jì)成p+型，此時(shí)溝道的價(jià)帶剛好與源極的費(fèi)米能級(jí)對(duì)齊。當(dāng)VGS= 0 V，VDS= -0.1 V時(shí)，管子處于關(guān)態(tài)，見圖3(b)。而當(dāng)給柵源結(jié)施加反向偏置電壓后(VGS= -0.1 V，VDS= -0.1 V)，溝道能級(jí)上升，柵源結(jié)寬度變小，溝道價(jià)帶高于源極的石墨烯費(fèi)米能級(jí)，電子從溝道隧穿進(jìn)入源極，形成電流，此時(shí)管子處于開態(tài)。

圖 3 石墨烯基隧穿場(chǎng)效應(yīng)管與對(duì)應(yīng)能帶圖[33,34]:(a)基于石墨納米帶的p-TFETs; (b)石墨烯納米帶 p-TFETs的能帶圖(c)一個(gè)隧穿結(jié)在溝道中間的G-TFET;(d)與(c)對(duì)應(yīng)的G-TFET器件能帶圖

與此不同的是，圖3(c)是一個(gè)在溝道中間形成隧穿結(jié)的石墨烯基TFET[34]。其溝道電導(dǎo)率可通過門極進(jìn)行有效控制，且連接石墨烯的費(fèi)米能級(jí)剛好處于源極和漏極的價(jià)帶和導(dǎo)帶之間。當(dāng)未施加?xùn)旁措妷汉吐┰措妷簳r(shí)(VGS= 0 V,VDS= 0 V)，勢(shì)壘兩邊的溝道能級(jí)相一致，管子處于關(guān)態(tài)。當(dāng)施加?xùn)旁措妷汉吐┰措妷汉?VGS> 0 V,VDS> 0 V)，中間勢(shì)壘和漏極能級(jí)降低，電子從連接源極的石墨烯隧穿進(jìn)入連接漏極的石墨烯形成導(dǎo)帶電流，此時(shí)管子處于開態(tài)，見圖3(d)。

除以上兩種常見的結(jié)構(gòu)外，一些特殊的TFETs也被設(shè)計(jì)。如文獻(xiàn)[35]制作的TFET是依靠金屬(Al和Cu)與石墨烯的連接形成隧穿結(jié)，避免了石墨烯摻雜等復(fù)雜工藝；而Britnell等設(shè)計(jì)的基于垂直石墨烯異質(zhì)結(jié)構(gòu)的隧穿場(chǎng)效應(yīng)管，有望在高速與大規(guī)模集成應(yīng)用中使用[36]。

2.2 石墨烯場(chǎng)效應(yīng)管的特性

石墨烯超薄的材料厚度、出色的電學(xué)特性以及獨(dú)一無(wú)二的零帶隙能帶結(jié)構(gòu)，使得石墨烯基場(chǎng)效應(yīng)管不僅具有優(yōu)良的電路級(jí)優(yōu)值系數(shù)(Figure of merit，簡(jiǎn)稱FOM)，也形成了獨(dú)特的I-V特性。但這些良好與獨(dú)特的特性不僅是由石墨烯本身的性質(zhì)決定的，也受到一些外部因數(shù)的影響，比如GFETs襯底質(zhì)量、金屬-石墨烯連接阻抗等[14]。因此，本節(jié)將引入典型的場(chǎng)效應(yīng)管小信號(hào)等效電路作為分析模型，并利用該模型分析與射頻/太赫茲領(lǐng)域相關(guān)的GFETs特性及其外部影響因素，以便更好地了解GFETs在太赫茲技術(shù)中的應(yīng)用基礎(chǔ)。典型的場(chǎng)效應(yīng)管小信號(hào)等效電路見圖4。圖中虛線框內(nèi)電路為本征晶體管(Intrinsic transistor)，主要由柵源電容CGS、柵漏電容CGD、受控源gm，VGSi和漏源電阻rds構(gòu)成。而VGSi、VDSi分別為內(nèi)部柵源電壓與內(nèi)部漏源電壓；RD、RS分別為漏極與源極的連接電阻。此外，與等效電路相對(duì)應(yīng)的場(chǎng)效應(yīng)管各項(xiàng)特性參數(shù)見表1。VGS、VDS為外部施加的電壓；Qch為溝道電荷；Lch、Wch分別為溝道的長(zhǎng)度和寬度；CG=CGS+CGD為柵極總電容。

圖 4 小信號(hào)場(chǎng)效應(yīng)管等效電路[15]Fig. 4 Small-signal equivalent FET circuit[15].

2.2.1 特征頻率

特征頻率(用fT表示)是指晶體管因工作頻率的增加而使電流增益下降至1倍(0 dB)時(shí)所對(duì)應(yīng)的頻率，此時(shí)晶體管無(wú)電流放大能力。因?yàn)閳?chǎng)效應(yīng)管的電流放大與功率放大特性都是緊密依賴頻率的函數(shù)，并隨著頻率的升高而降低[37]，所以GFETs應(yīng)用于射頻電路、太赫茲領(lǐng)域的最重要FOMs之一就是特征頻率。為使FETs件能工作在更高頻率乃至太赫茲頻段，需要器件在物理上具有更快的輸入輸出響應(yīng)速度，以及更高的溝道電子遷移率和更短的溝道長(zhǎng)度，以減小輸入輸出延遲與溝道傳輸延遲。在圖4中，器件的總延遲可用下式表示[38]：

(1)

(2)

(3)

所以，

(4)

表 1 FETs特性參數(shù)[37,40]

由式(4)可知，在外部連接電阻為常數(shù)時(shí)，為獲得更高的特征頻率，應(yīng)在提高內(nèi)部跨導(dǎo)gm的同時(shí)，盡量減小結(jié)電容CGS、CGD，以減小溝道延遲，而降低漏源電導(dǎo)gds，也有利于減少寄生延遲，提高特征頻率。此外，CGD作為連接輸入輸出端的密勒電容，它的減小能明顯降低輸出端大信號(hào)對(duì)輸入端的影響，避免器件產(chǎn)生振蕩，提高器件的工作頻率上限。

在基于半導(dǎo)體的場(chǎng)效應(yīng)管中，內(nèi)部跨導(dǎo)與結(jié)電容不僅與器件本身的材料與結(jié)構(gòu)有關(guān)，也受外部輸入偏置的影響[42,43]，見圖5 。當(dāng)VDS較小，器件處于線性區(qū)時(shí)，因較小的gm與較大的gds，fT相對(duì)較低；而當(dāng)VDS逐步增大，使得器件進(jìn)入飽和區(qū)后，gds大幅下降，從而使得器件獲得了較高的fT。由此可見，提高FETs的fT使得器件獲得更好的頻率特性，不僅需要關(guān)注器件本身的材料選擇與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，還需注意器件工作的外部條件。

圖 5 場(chǎng)效應(yīng)管的C-V與I-V特性[42,43]Fig. 5 The C-V and I-V characteristics of the FETs[42,43].

典型的T-GFETs器件柵極電容CG約等于其單位面積上的氧化層電容Cox(Oxide capacitance per unit area)[8]，如下式所示：

(11)

式中，εox、tox分別為柵極介電層的介電常數(shù)與厚度。而當(dāng)介電層很薄，tox很小時(shí)，器件的柵極總電容還需考慮量子電容Cq的影響，此時(shí)的CG等于氧化層電容Cox與量子電容Cq的串聯(lián)[49]，如下式所示：

(12)

另一個(gè)影響GFETs特征頻率的重要因素是石墨烯-金屬的連接電阻。在公式(9)中，當(dāng)其它參數(shù)為常數(shù)時(shí)，更低的連接電阻(RS+RD)，有利于器件獲得更高的fT。而直至現(xiàn)在，已知的最低金屬-石墨烯連接電阻約為100 Ω·μm[50]，雖然低于Si和III-V化合物 FETs器件的連接電阻，但大部分已經(jīng)報(bào)道的GFETs器件連接電阻卻在幾百至幾千Ω·μm之間，明顯大于CMOS器件的連接電阻。因此，一些方法被采取以降低金屬-石墨烯的連接電阻，例如溫和的氧等離子體處理[51]、紫外臭氧預(yù)處理[52]、退火[53]等。而選擇能帶結(jié)構(gòu)與石墨烯相類似的金屬電極，使得金屬與石墨烯的連接形成歐姆連接而不是肖特基連接，也是一種降低連接電阻的有效方式[54]。常用于連接石墨烯的金屬有Ti/Au, Cr/Au, Cr/Pt, Ni 和Co等。Gahoi在研究各種金屬電極與CVD石墨烯的連接電阻時(shí)發(fā)現(xiàn)[55]，金與石墨烯的連接電阻是最低的，為92 Ω·μm，此時(shí)需對(duì)B-GFETs器件的背柵施加- 40 V的偏置電壓。此外，為減小連接電阻的影響，使得GFETs獲得更高的fT，Hong等從理論上研究了器件電阻對(duì)GFETs器件RF特性的影響，并提出了一種可有效降低器件分布電阻的自對(duì)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)器件模型[56]。

總之，擁有當(dāng)前已知材料中最高電子遷移率與最薄厚度的石墨烯，使得GFETs在太赫茲技術(shù)應(yīng)用中擁有了其它材料無(wú)法企及的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，但要使得器件可在太赫茲頻段廣泛應(yīng)用，甚至實(shí)現(xiàn)更高特征頻率的應(yīng)用，還需實(shí)現(xiàn)以下三點(diǎn)：(1)選擇合適高質(zhì)量的襯底(例如hBN[57])，以減少器件襯底造成的溝道載流子遷移率下降、散射大幅增加的影響[58]；(2)施加合適的漏源電壓，并縮短器件溝道長(zhǎng)度，來提高GFETs器件的跨導(dǎo)；(3)提高石墨烯質(zhì)量，選擇合適的連接金屬，以減小連接電阻，并降低寄生延遲，使得器件整體電阻由溝道電阻決定，提高器件的可控能力。此外，突破GFETs在2012年的427 GHz特征頻率高點(diǎn)還需提高器件的制備工藝[59]，以降低因工藝過程造成的溝道電子遷移率下降影響，并克服器件縮小后(溝道長(zhǎng)度小于200 nm)，連接電阻增大的難題[60]。

2.2.2I-V特性

在半導(dǎo)體中，電子的能帶結(jié)構(gòu)決定了該材料的電學(xué)及光學(xué)性能。石墨烯獨(dú)特的零帶隙對(duì)稱圓錐形能帶結(jié)構(gòu)，使得它擁有了超越傳統(tǒng)半導(dǎo)體材料的遷移率，但也使得石墨烯基場(chǎng)效應(yīng)管因無(wú)法關(guān)斷與較低的開/關(guān)比而不適于邏輯電路。同樣因?yàn)榱銕兜膶?duì)稱能帶結(jié)構(gòu)，GFETs擁有了雙極的I-V特性[14]。其原理如圖6所示[8]，給T-GFETs的柵極施加一個(gè)正電壓VGS1時(shí)，石墨烯溝道的費(fèi)米能級(jí)EF1位于導(dǎo)帶上，電子導(dǎo)電形成的漏極電流為ID1；當(dāng)柵極電壓降低時(shí)，費(fèi)米能級(jí)下降，并引起電子濃度的大幅度下降，繼而使得漏極電流也下降。在VGS2點(diǎn)(也稱VF點(diǎn))，費(fèi)米能級(jí)位于導(dǎo)帶與價(jià)帶的交匯點(diǎn)-狄拉克點(diǎn)(Dirac point)，此時(shí)載流子濃度為零，溝道電導(dǎo)率最小，漏極電流也最小。繼續(xù)減小柵極電壓使得費(fèi)米能級(jí)位于價(jià)帶上，此時(shí)溝道內(nèi)形成空穴導(dǎo)電，漏極電流隨著柵極電壓的減小而增大，如在負(fù)柵極電壓VGS3點(diǎn)，對(duì)應(yīng)的漏極電流為ID3。因此，當(dāng)器件是一個(gè)理想的對(duì)稱結(jié)構(gòu)時(shí)，GFETs的I-V特性也是對(duì)稱的，而狄拉克點(diǎn)就是導(dǎo)電載流子(電子、空穴)的轉(zhuǎn)換點(diǎn)，但因?yàn)闊嵩肼?、狄拉克點(diǎn)能級(jí)擾動(dòng)、石墨烯缺陷等因素，此時(shí)的漏極電流并不為零，而是形成了一定大小的漏電流。

圖 6 GFETs的對(duì)稱I-V特性：(a)石墨烯的能帶結(jié)構(gòu)；(b)GFETs的I-V轉(zhuǎn)移特性[8]Fig. 6 Symmetrical I-V characteristics of GFETs：(a)The band structure of graphene; (b) The I-V transfer characteristics of GFETs[8].

然而，在實(shí)際中，GFETs又是不對(duì)稱的。因?yàn)榻饘?石墨烯連接電阻受器件結(jié)構(gòu)與柵極電壓的影響，使得在不同柵極電壓條件下(VGS>VF或VGSVF，VDGS>VDS-VF時(shí)，溝道與源、漏極的連接均為n結(jié)，形成電子導(dǎo)電，如曲線I所示；當(dāng)VGSVF，且VDS≈VGS-VF時(shí)，溝道與源極形成n結(jié)，與漏極形成p結(jié)，如曲線II所示。此時(shí)，對(duì)比I、III曲線可看出，GFETs的I-V轉(zhuǎn)移特性是非對(duì)稱的。

需要指出的是，由于石墨烯零帶隙的能帶特點(diǎn)，GFETs不能像傳統(tǒng)MOSFETs一樣通過導(dǎo)電溝道的夾斷機(jī)制來形成飽和電流。而一般來說，缺乏飽和電流將會(huì)使場(chǎng)效應(yīng)器件在RF應(yīng)用上面臨諸多挑戰(zhàn)。因?yàn)樵谌狈﹄娏黠柡蜖顟B(tài)時(shí)，場(chǎng)效應(yīng)管的輸出特性幾乎是線性的，其漏源電阻rds很小(與RS、RD同一數(shù)量級(jí))，可導(dǎo)致特征頻率fT的顯著下降，并降低電流與功率增益[58]。此外，由于GFETs的輸出電流ID跟隨VDS劇烈變化，在欠飽和或弱飽和時(shí)，隨著輸入VGS電壓的變化，靠近漏極端的溝道載流子數(shù)量也劇烈變化，形成了一個(gè)更大值的CGD，也因此導(dǎo)致器件特征頻率fT的降低。

鑒于實(shí)現(xiàn)電流飽和對(duì)GFETs在更高太赫茲頻率應(yīng)用的重要性，一些研究人員研究了實(shí)現(xiàn)GFETs電流飽和的其它方法，例如通過施加很高的VDS電壓使得溝道內(nèi)的載流子實(shí)現(xiàn)速度飽和，繼而實(shí)現(xiàn)電流飽和。但由于載流子在石墨烯中的飽和速度很高，器件的連接電阻也往往較大，使得施加的高VDS電壓更多地落在了連接電阻上，導(dǎo)致內(nèi)部溝道難以獲得足夠大電勢(shì)來滿足載流子的速度飽和[14]。此外，介電層與襯底存在的陷阱[61]，或者器件的帶間隧穿[62]等原因，也讓GFETs溝道實(shí)現(xiàn)速度飽和更加地難以成功。

圖 7 (a)不同柵極電壓條件下的GFETs的I-V特性曲線；(b)沿溝道的總電荷密度[14]Fig. 7 (a)The I-V characteristic of the GFETs under different gate voltage conditions; (b)The total charge density along the channel[14].

幸運(yùn)的是，即使不能實(shí)現(xiàn)載流子速度飽和，在一定的柵極電壓條件下，GFETs仍可實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)飽和(Quasi-saturation)的特性。如圖7(b)所示：在II曲線的實(shí)例中，由于溝道與源極和漏極形成了不同的p-n結(jié)，電子從源極進(jìn)入，空穴從漏極注入，溝道各點(diǎn)的費(fèi)米能級(jí)為經(jīng)過狄拉克點(diǎn)的連續(xù)曲線。因?yàn)闇系离妼?dǎo)率在狄拉克點(diǎn)處最低，并向兩頭逐步增大，使得電流被狄拉克點(diǎn)處的電導(dǎo)率所限制，形成了準(zhǔn)飽和的特性。但是，讓GFETs獲得這種準(zhǔn)飽和特性的低電導(dǎo)率區(qū)域(狄拉克點(diǎn)費(fèi)米能級(jí)在±kBT范圍內(nèi)波動(dòng)的區(qū)域)的長(zhǎng)度隨著電場(chǎng)的增大而減小，而向源極、漏極兩邊的電導(dǎo)率一直在增加，因此總電導(dǎo)率隨著VDS的增大而增大，電流也隨VDS的增大而增大，最后脫離了飽和態(tài)(圖7(a)曲線II末端電流重新增大)。

雙極性對(duì)稱的I-V轉(zhuǎn)移特性，使得GFETs有望用于一些特殊功能器件或者倍頻器上，而特定條件下輸出電流的準(zhǔn)飽和特性，也讓其可工作于太赫茲范圍的低頻率點(diǎn)上，但直到如今，實(shí)現(xiàn)電流飽和的有效方法仍未見報(bào)道。因此，在未來，還需要付出更多的努力來研究與實(shí)現(xiàn)GFETs器件的電流飽和，以使其可工作于更高的太赫茲頻率點(diǎn)上。

2.2.3 負(fù)動(dòng)態(tài)電導(dǎo)率特性(太赫茲頻段)

石墨烯基場(chǎng)效應(yīng)的負(fù)動(dòng)態(tài)電導(dǎo)率特性是指GFETs受光泵激發(fā)時(shí)，在THz波段所表現(xiàn)出來的特性。石墨烯的光導(dǎo)率可用久保公式(Kubo formula)來描述[63,64]：

σ(ω)=σinter(ω)+σintra(ω)=

(13)

(14)

(15)

圖 8 石墨烯光導(dǎo)率實(shí)部[66]：紅線為帶間吸收光導(dǎo)率的 ；藍(lán)線為帶內(nèi)吸收光導(dǎo)率的實(shí)部Fig. 8 Real part of the conductivity in graphene[66]: red lines, ; blue lines,

2.3 石墨烯場(chǎng)效應(yīng)管的制備

GFETs器件的制備主要包括以下4個(gè)步驟(以CVD制備石墨烯，SiO2/Si襯底的T-GFETs為例)：

(1)石墨烯的制備;

(2)石墨烯轉(zhuǎn)移至襯底;

(3)柵極及其介電層的淀積;

(4)金屬-石墨烯連接。

如圖9所示，器件的制備工藝過程形成了石墨烯-襯底、石墨烯-介電層、石墨烯-金屬等3個(gè)關(guān)鍵連接面，它們的連接質(zhì)量極大地影響著器件的性能[14]，尤其是對(duì)器件特征頻率的影響尤為明顯。本節(jié)將簡(jiǎn)要敘述實(shí)現(xiàn)上述工藝流程的典型方法與關(guān)鍵步驟，并討論工藝流程中一些對(duì)器件性能造成影響的因素。

圖 9 GFETs器件的制備流程[14]

2.3.1 石墨烯的制備與轉(zhuǎn)移

機(jī)械剝離、外延生長(zhǎng)、化學(xué)氣相沉積(Chemical vapour deposition，簡(jiǎn)稱CVD)是獲取高質(zhì)量石墨烯的3種常用方法。其中，機(jī)械剝離法是最早實(shí)現(xiàn)石墨烯獲取的方法，也是推動(dòng)石墨烯發(fā)現(xiàn)、研究、應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)之一[2]。它是通過透明膠帶反復(fù)剝離石墨來獲取單層或者少層石墨烯的。當(dāng)只剩單層或者少層石墨烯在膠帶上時(shí)，就可通過反向摩擦膠帶來把它轉(zhuǎn)移到襯底上，再通過拉曼光譜儀來確認(rèn)石墨烯的層數(shù)[67]。在此過程中，由于石墨烯緊密粘附在膠帶上，使得它有可能受到膠帶的污染而導(dǎo)致載流子遷移率的下降。此外，由于轉(zhuǎn)移后所得的石墨烯并不是一致的(有些是單層的，有些是多層的)，單層石墨烯所在的位置可能是襯底中的任意位置，因此這種方法不適于大規(guī)模生產(chǎn)使用。

外延生長(zhǎng)石墨烯是指在高真空度環(huán)境下，通過對(duì)SiC襯底加熱至1 200 ℃使得Si原子沉積，C原子析出而形成石墨烯的。生長(zhǎng)的石墨烯層數(shù)可通過調(diào)節(jié)加熱時(shí)間與溫度來控制。石墨烯質(zhì)量與層數(shù)還取決于SiC面的終端是Si層還是C層，相對(duì)來說，C層終端生長(zhǎng)的石墨烯具有更高的載流子遷移率[68]。在生長(zhǎng)石墨烯并通過拉曼儀確認(rèn)層數(shù)后，由于其已經(jīng)位于SiC襯底上，因此可免于轉(zhuǎn)移步驟而直接在同一塊晶圓上制備多個(gè)GFETs，有利于器件的大規(guī)模制造。但是，在這種器件結(jié)構(gòu)中，石墨烯與襯底之間沒有介電層的隔離，來自于襯底的電荷使得石墨烯形成重的電荷摻雜，并表現(xiàn)為金屬性，影響了器件的性能。此外，較高的工藝溫度使得這種方法與當(dāng)前的CMOS工藝并不兼容，再加上昂貴的SiC襯底，使得基于外延法的GFETs制備不適于產(chǎn)業(yè)化。

CVD法是當(dāng)今最為流行的石墨烯制備方法。它是通過使碳源氣體(如CH4、C2H2等)在高溫金屬催化劑(如Cu、Ni等)表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成C原子沉積，并在之后的冷卻過程中析出C原子而在金屬催化劑表面形成石墨烯。由于合成的石墨烯位于金屬表面上，因此還需通過轉(zhuǎn)移工序來轉(zhuǎn)移到所需的絕緣襯底上才能應(yīng)用于電子器件。機(jī)械剝離法轉(zhuǎn)移與聚合物支持轉(zhuǎn)移法是兩種已成功用于從金屬表面轉(zhuǎn)移石墨烯至其它襯底的方法[69]。在聚合物支持轉(zhuǎn)移法中，PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)層首先被旋涂在金屬石墨烯上，然后通過蝕刻將底層金屬催化劑去除；接著將粘附有石墨烯的PMMA移到水中進(jìn)行清洗，并放到已準(zhǔn)備的襯底上(石墨烯面與襯底相接)；最后將器件放入丙酮中，使PMMA溶解，完成石墨烯至襯底的轉(zhuǎn)移[70]。在當(dāng)前，聚合物支持法是相對(duì)成熟并被廣泛使用的石墨烯金屬至襯底轉(zhuǎn)移法，但蝕刻液造成的晶格缺陷與殘留聚合物形成的污染都可使得石墨烯的質(zhì)量受損，并最終影響器件的性能。因此，更多改進(jìn)措施與辦法被采取來提高轉(zhuǎn)移的性能，使之能更好地應(yīng)用于大規(guī)模生產(chǎn)中[71]。

2.3.2 介電層的淀積

為使得GFETs獲得好的THz特性，器件的柵極結(jié)電容必須很小，因此需要一個(gè)低漏電流、薄厚度、高介電常數(shù)、低界面陷阱密度的介電層[14]。這個(gè)柵極介電層可通過熱蒸發(fā)沉積或者原子層沉積(Atomic layer deposition，簡(jiǎn)稱ALD)形成，但石墨烯的疏水性與化學(xué)惰性，使得這兩種方法的實(shí)施面臨著諸多的困難。雖然通過化學(xué)官能化來提高石墨烯表面的活性有助于利用ALD來沉積介電層，但是會(huì)破壞石墨烯晶格，導(dǎo)致遷移率的嚴(yán)重下降[72]。Kim等采用電子束蒸發(fā)形成一個(gè)薄的金屬層，并迅速氧化后作為ALD的成核層，有效的沉積了Al2O3作為介電層，并獲得了較高的遷移率[73]。

2.3.3 金屬-石墨烯連接

由2.2節(jié)分析可知，良好的連接電阻，可減小器件的延遲，提高特征頻率。用于形成金屬-石墨烯連接的典型程序包括以下3個(gè)步驟：圖案定義(電子束光刻)、電子束蒸發(fā)金屬以及激光剝離(lift-off)[14]。由于功函數(shù)的差異，金屬與石墨烯的接觸面形成界面偶極子層，并導(dǎo)致階梯勢(shì)壘，使得連接電阻較大。因此，金屬-石墨烯的連接電阻工藝，不僅要求避免工藝過程對(duì)材料造成的污染和破壞，還必須選擇高功函數(shù)的金屬，以提高從金屬至石墨烯轉(zhuǎn)移的載流子密度，降低連接電阻[50]。

如本節(jié)所述，石墨烯制備已實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，介電層的淀積與金屬-石墨烯的連接工藝均可用當(dāng)前的半導(dǎo)體CMOS工藝技術(shù)實(shí)現(xiàn)，除了轉(zhuǎn)移工藝外，GFETs器件的制備工藝具備了在當(dāng)前半導(dǎo)體技術(shù)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的基礎(chǔ)，降低了產(chǎn)業(yè)化升級(jí)的壁壘，為推動(dòng)基于石墨烯的半導(dǎo)體技術(shù)研究提供了動(dòng)力。

3 基于石墨烯場(chǎng)效應(yīng)管的太赫茲技術(shù)

由于石墨烯內(nèi)電子和空穴特殊的能帶結(jié)構(gòu)，特別是其無(wú)質(zhì)量、類中微子的形式，以及散射過程，使得石墨烯表現(xiàn)出了獨(dú)一無(wú)二的傳輸特性，并有望用于電子器件中[74,75]。石墨烯的電學(xué)特性主要包括以下幾點(diǎn)[76]：

(1)電子與空穴零帶隙的線性色散能級(jí)。

(2)強(qiáng)烈的各向異性帶間隧穿和高的電子空穴運(yùn)動(dòng)速度，使得它們?cè)谄骷?nèi)的彈道輸運(yùn)僅為微米級(jí)。

(3)電場(chǎng)誘導(dǎo)的p區(qū)和n區(qū)可形成p-i-n結(jié)。

(4)對(duì)石墨烯納米帶的側(cè)向量子化，可形成帶隙。

(5)高的電子和空穴遷移率(室溫下可達(dá)到μ=2×105cm2/V·s；T<55 K時(shí)，可達(dá)到107cm2/V·s)

這些特性使得石墨烯在高速電子器件領(lǐng)域具備優(yōu)勢(shì)，特別是在二極管、晶體管和納米微機(jī)電(MEMS)器件上超越傳統(tǒng)半導(dǎo)體材料，也讓GFETs可用于各種太赫茲器件上。本節(jié)將分別分析敘述GFETs在太赫茲范圍內(nèi)的一些重要應(yīng)用。

3.1 太赫茲發(fā)射器與激光器

圖 10 在光泵激發(fā)石墨烯上形成粒子反轉(zhuǎn)的原理圖[77]Fig. 10 Schematic view of population inversion in the optically pumper graphene[77].

正是由于對(duì)石墨烯施加強(qiáng)度足夠的外部激發(fā)可使之形成粒子反轉(zhuǎn)[81,82]，石墨烯基場(chǎng)效應(yīng)管太赫茲發(fā)射器、激光器不斷地被研制成功。例如，V. Ryzhii團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了基于單石墨烯層、多石墨烯層的光泵太赫茲激光器[83-85]。在光泵石墨烯激光器中，光激發(fā)產(chǎn)生的電子和空穴通過輻射把能量轉(zhuǎn)移到輻射的光子上，并聚集在狄拉克點(diǎn)附近的能級(jí)上。在這過程中，擁有相對(duì)較高光子能量的光泵需要復(fù)雜的配置，不便于石墨烯THz激光器在不同場(chǎng)合上的應(yīng)用。而且，光激發(fā)的電子-空穴等離子體因從泵源上吸收了過多的能量(加劇粒子間的碰撞)而被明顯加熱，導(dǎo)致了準(zhǔn)費(fèi)米能量與電子-空穴有效溫度的比值降低，并最終讓獲取足夠大動(dòng)態(tài)電導(dǎo)率的過程復(fù)雜化，阻礙粒子反轉(zhuǎn)的形成?；陔娮踊蛘呖昭ㄗ⑷氲氖┨掌澕す馄骶哂腥跫訜嵘踔晾鋮s泵的特點(diǎn)，保證了更低的電子-空穴有效溫度。

如圖11所示，當(dāng)施加一定的電壓后，多石墨烯層的場(chǎng)效應(yīng)管器件的動(dòng)態(tài)電阻率在太赫茲頻率范圍內(nèi)可為負(fù)值，而電子-空穴等離子體的冷卻又鞏固了負(fù)動(dòng)態(tài)電導(dǎo)率的影響，使得器件的太赫茲輻射得以實(shí)現(xiàn)，并具有寬頻段、低德魯?shù)挛?、弱溫度依賴、頻譜電壓可調(diào)的突出特點(diǎn)[86]。而在2017年，Tamamushi等展現(xiàn)了一種分布式反饋雙柵極GFET電流注入激光器。該激光器在正向偏置下可形成p-i-n結(jié)，并在100 K環(huán)境溫度下實(shí)現(xiàn)了5.2 THz的單模發(fā)射[87]。

圖 11 多石墨烯層太赫茲電子注入激光器[86]:(a)化學(xué)摻雜形成n結(jié)與p結(jié)；(b)通過施加側(cè)柵極電壓誘導(dǎo)電子注入Fig. 11 MGL based terahertz electronic injection laser[86]: (a) Chemically doped n- and p-sections; (b) Electrically induced by the side gate-voltages.

而 Popov等利用石墨烯共振納米腔陣列實(shí)現(xiàn)了等離子體激發(fā)的太赫茲激光器[88]。由于納米腔陣列較強(qiáng)的離子限制以及太赫茲的超輻射特性，太赫茲波的幅度放大在離子共振頻率點(diǎn)上得到了幾個(gè)數(shù)量級(jí)的增強(qiáng)。

由于石墨烯獨(dú)特的超快載流子弛豫/重組動(dòng)力學(xué)，使得負(fù)動(dòng)態(tài)電導(dǎo)率特性可在室溫下寬的太赫茲頻譜范圍內(nèi)發(fā)生，并將打破當(dāng)前半導(dǎo)體激光器的操作溫度限制。此外，石墨烯的二維等離子體激元特性大大的加強(qiáng)了光-粒子間的相互作用，提高量子效率與輸出功率。得益于以上兩點(diǎn)，相比于傳統(tǒng)的半導(dǎo)體激光器，基于GFETs的電流注入激光器具有高量子效率(≈1)，高輸出功率(毫瓦級(jí))，可室溫下操作的優(yōu)勢(shì)[89]。

3.2 太赫茲探測(cè)器

太赫茲探測(cè)器(Terahertz detector)是太赫茲技術(shù)的核心組件，被廣泛應(yīng)用于射電天文學(xué)、遙感、通信與國(guó)防等領(lǐng)域。因此，基于各種結(jié)構(gòu)的太赫茲探測(cè)器不斷地被研究與實(shí)現(xiàn)。例如，Lu等利用二維電子流在HEMT器件上實(shí)現(xiàn)了2.5 THz的太赫茲探測(cè)器[90]；而一種無(wú)源、兼容、寬帶、柔性、大面積、偏振敏感的碳納米管THz探測(cè)器也在2014年被證實(shí)[91]。該CNT THz探測(cè)器在整個(gè)太赫茲頻段的響應(yīng)度約為2.5 V/W，極化率高達(dá)5∶1。2015年， Marczewski等在硅無(wú)結(jié)場(chǎng)效應(yīng)管(Silicon junctionless field effect transistors)上實(shí)現(xiàn)了室溫下響應(yīng)度達(dá)到70 V/W，噪聲功率僅為460 pW/√Hz的太赫茲探測(cè)器[92]。

盡管多種結(jié)構(gòu)的太赫茲探測(cè)器已在實(shí)際中應(yīng)用，但因石墨烯可吸收的電磁波頻譜覆蓋可見光至太赫茲的寬范圍，而且?guī)чg電子躍遷強(qiáng)度是當(dāng)今所有已知材料中最大的[93,94]。此外，GFETs擁有雙極性的輸運(yùn)特點(diǎn)、超快的寬譜響應(yīng)、超高的溝道電子遷移率以及與現(xiàn)行硅半導(dǎo)體工藝相兼容等優(yōu)勢(shì)，使得以GFETs為基礎(chǔ)的太赫茲探測(cè)器吸引著大量研究人員的關(guān)注，并不斷有高性能的探測(cè)器被實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用。如圖12所示，以雙層石墨烯作為溝道材料的GFETs太赫茲探測(cè)器在THz與紅外頻段獲得了超越其它光學(xué)探測(cè)器(量子霍爾紅外探測(cè)器、量子點(diǎn)紅外探測(cè)器、量子線紅外探測(cè)器、HgCdTe和InSb探測(cè)器)的性能，并且其頻譜特性可電壓調(diào)制[80]。

圖 12 基于雙層石墨烯的場(chǎng)效應(yīng)管太赫茲探測(cè)器[80]Fig. 12 Graphene bilayer based field-effect transistor terahertz detector[80].

文獻(xiàn)[97]證實(shí)了一種基于多石墨烯層p-i-n結(jié)構(gòu)的場(chǎng)效應(yīng)管太赫茲和紅外探測(cè)器。因相對(duì)高的量子效率(Quantum efficiency)與低的熱產(chǎn)生率(Thermal generation rate)，該探測(cè)器在太赫茲和紅外頻段表現(xiàn)出了高的響應(yīng)度和探測(cè)靈敏度(室溫環(huán)境下)，并可在調(diào)制頻率達(dá)到幾十GHz的情況下使用[97]。

而一種基于T-GFETs的天線集成THz直接探測(cè)器在2014年被實(shí)現(xiàn)[98]。它是第一個(gè)采用CVD石墨烯的直接THz探測(cè)器，可在室溫下對(duì)0.6 THz的信號(hào)進(jìn)行探測(cè)，并擁有14 V/W的最大電壓響應(yīng)度與515 pW/√Hz的最小等效噪聲功率(Noise-equivalent power)。

基于等離子體共振的THz探測(cè)器原理在1996年由Dyakonov等提出后[99]，就不斷地有相關(guān)研究被報(bào)道，并被成功制備與分析[100]。因二維電子等離子體振蕩的非線性，這類探測(cè)器的實(shí)施操作與電流檢波組件密切相關(guān)[66]。當(dāng)THz信號(hào)頻率與等離子體的共振頻率或諧波頻率接近時(shí)，共振探測(cè)器的響應(yīng)度就相對(duì)高，因此可用于提高THz探測(cè)器的性能。Ryzhii團(tuán)隊(duì)提出了一種基于縱向石墨烯基熱電子晶體管(Vertical graphene-based hot-electron transistors，簡(jiǎn)稱GB-FETs)的表面等離子共振太赫茲探測(cè)器模型[101]，如圖13所示。

該基于GB-FETs的太赫茲探測(cè)器獲得了高達(dá)30 A/W的電流響應(yīng)度(電壓響應(yīng)度約為2×105V/W)，并在1.67 THz的頻點(diǎn)上獲得了約為1.33×103A/W的最大電流響應(yīng)度，且最大響應(yīng)點(diǎn)可通過施加不同的偏置電壓在THz范圍內(nèi)進(jìn)行控制。高的熱電子注入效率與無(wú)阻容分布參數(shù)限制的特性，使得基于GB-FETs的THz探測(cè)器在室溫環(huán)境下THz頻譜內(nèi)獲得了較高的電流與電壓響應(yīng)度，并可能超越其它基于標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)的太赫茲探測(cè)器。

圖 13 基于縱向石墨烯熱電子晶體管的表面等離子共振太赫茲探測(cè)器[101]Fig. 13 Resonant plasmonic terahertz detection in vertical graphene-base hot-electron transistors[101].

3.3 太赫茲調(diào)制器

過去30年，太赫茲科學(xué)與技術(shù)獲得了巨大的發(fā)展，并被應(yīng)用于天文學(xué)、光譜學(xué)、成像與通信等領(lǐng)域[102]。與此同時(shí)，一些器件也被研究開發(fā)用于太赫茲頻段，如太赫茲激光器、發(fā)射器、探測(cè)器、振蕩器、傳感器、調(diào)制器等。這些器件的研究應(yīng)用極大地促進(jìn)了太赫茲技術(shù)的推廣與應(yīng)用，但是在無(wú)損成像、高速通信等領(lǐng)域，相比于其它關(guān)鍵器件(激光器、發(fā)射器、探測(cè)器)，太赫茲調(diào)制器發(fā)展相對(duì)滯后，因此研究開發(fā)調(diào)制度大、信號(hào)衰減弱、易于集成的寬帶THz調(diào)制器已經(jīng)成為當(dāng)前太赫茲科學(xué)與技術(shù)發(fā)展的緊迫課題。近年來， THz調(diào)制器的研究與制備也取得了不少的成果，但更多的是利用擁有二維電子氣(Two-dimensional electron gas ，簡(jiǎn)稱2DEG)的半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)(Semiconductor heterostructures)來實(shí)現(xiàn)，使得器件的調(diào)制度受限于電子密度(傳統(tǒng)半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)的電子密度最高約為：1×1012cm-2)的可調(diào)性而難以提高[103]，而器件金屬柵極的存在，不僅使得THz信號(hào)被衰減，而且還會(huì)導(dǎo)致器件調(diào)制度的降低。因此，結(jié)合超材料(Metamaterials)或者采用等離子體結(jié)構(gòu)(Plasmonic Structures)來加強(qiáng)THz輻射與2DEG相互作用的方法被采用，并實(shí)現(xiàn)了50%調(diào)制度的THz調(diào)制器[104]。但超材料固有的窄帶特性，使得器件很難適應(yīng)寬范圍THz波段的多樣化需求[105]，而擁有超常光學(xué)與電學(xué)特性的單原子厚度石墨烯早已被人們所熟知，并被證明可用于制造THz頻段的杰出器件[106,107]。

Sensale-Rodriguez等提出了一種可在室溫下操作的石墨烯基THz幅度調(diào)制器[108]。該調(diào)制器可通過調(diào)節(jié)石墨烯費(fèi)米能級(jí)，改變THz照射下帶內(nèi)躍遷的態(tài)密度，繼而實(shí)現(xiàn)THz波傳播強(qiáng)度的調(diào)制，而理論計(jì)算表明，其調(diào)制度在使用單層石墨烯時(shí)可超過90%，且最小信號(hào)衰減小于5%。隨后的實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步表明[109]，室溫下高效、低衰減的THz寬帶調(diào)制器可利用石墨烯載流子的帶內(nèi)躍遷行為實(shí)現(xiàn)，并首次在實(shí)驗(yàn)中驗(yàn)證了此類基于GFETs的THz調(diào)制器在570 GHz載波頻率，調(diào)制頻率20 kHz條件下，具有15%的幅度調(diào)制度。

如圖14(a)所示，當(dāng)受外部THz波照射時(shí)，石墨烯內(nèi)部載流子躍遷以帶內(nèi)躍遷為主導(dǎo)[110,111]，此時(shí)石墨烯可看作是一個(gè)導(dǎo)電薄膜，其光導(dǎo)率緊隨電導(dǎo)率變化，并可用簡(jiǎn)單的德魯?shù)履Ｐ?Drude model)來描述，如下式所示：

(16)

鑒于Sensale-Rodriguez提出的模型在實(shí)際應(yīng)用中因石墨烯質(zhì)量的限制，調(diào)制度只有15%，且調(diào)制頻率也因器件過大而比較低，等離子體結(jié)構(gòu)或者諧振腔結(jié)構(gòu)被用來提高石墨烯基調(diào)制器的調(diào)制度[112]。而通過一體化的集成方案，量子級(jí)聯(lián)激光器在某些泵電流下可實(shí)現(xiàn)100%調(diào)制，而且更小的器件體積使得調(diào)制器的調(diào)制頻率超過了100 MHz[113]。最近，一種基于共軛聚合物、石墨烯、硅等材料的高效寬帶THz調(diào)制器被提出，它能有效地避免調(diào)制度與調(diào)制速度之間的矛盾，并獲得了93%的調(diào)制深度[23]。

石墨烯天然柔性的二維結(jié)構(gòu)，可電調(diào)諧的高載流子密度(1×1014cm-2)，使得它易于與其它材料、結(jié)構(gòu)相結(jié)合，也使得基于GFETs 的THz調(diào)制器易于集成，減小系統(tǒng)復(fù)雜度。相比于其它THz調(diào)制器，石墨烯基THz調(diào)制器可通過小型化(因?yàn)槭┏〉牟牧虾穸?來降低寄生電容與寄生電阻，以獲得更快的調(diào)制速度，也可通過實(shí)現(xiàn)THz輻射與石墨烯的強(qiáng)相互作用，取得更高的調(diào)制深度[113]。

隨著對(duì)基于GFETs 的THz調(diào)制器研究地不斷深入與發(fā)展，相信在未來將會(huì)有更多高性能的THz調(diào)制器被實(shí)現(xiàn)，并補(bǔ)上太赫茲科學(xué)與技術(shù)在關(guān)鍵器件上的這一短板。

圖 14 寬帶GFETs太赫茲調(diào)制器的原理與結(jié)構(gòu)[109]：(a)THz波輻射下的石墨烯能帶結(jié)構(gòu)(帶內(nèi)躍遷占主導(dǎo))；(b)石墨烯基太赫茲調(diào)制器的模型

3.4 其它太赫茲技術(shù)應(yīng)用

除了激光器、發(fā)射器、探測(cè)器、調(diào)制器外，GFETs也被用于實(shí)現(xiàn)其它的THz技術(shù)器件。例如，Rana等提出與分析了一種基于二維石墨烯材料的太赫茲振蕩器[114]。該太赫茲振蕩器通過使石墨烯片產(chǎn)生受激輻射實(shí)現(xiàn)等離子波的放大，增加等離子波導(dǎo)以限制等離子波的橫向傳播并引導(dǎo)進(jìn)入波導(dǎo)傳輸線，最終形成一個(gè)集成等離子波導(dǎo)的雙頂柵GFET太赫茲振蕩器。石墨烯受激輻射實(shí)現(xiàn)等離子波放大的原理如圖15(a)所示。首先，頻率處于太赫茲范圍的入射等離子波被中等載流子密度(109～1012cm-2)的石墨烯所吸收，使得石墨烯內(nèi)部載流子產(chǎn)生帶間躍遷(價(jià)帶->導(dǎo)帶)。接著，帶間躍遷形成的大量電子-空穴對(duì)快速冷卻，使得石墨烯形成粒子反轉(zhuǎn)。最后，負(fù)電導(dǎo)率的石墨烯再次導(dǎo)致帶間躍遷(導(dǎo)帶->價(jià)帶)而輸出放大的太赫茲波。因較慢的等離子波群速度與石墨烯層附近很強(qiáng)的等離子體電磁場(chǎng)限制，使得通過石墨烯獲得的等離子體波放大增益比典型的半導(dǎo)體帶間躍遷激光器更大。除了通過石墨烯獲得等離子體波放大外，器件還需增加外接電路才可形成振蕩器，其模型原理見圖15(b)。

在此模型中，產(chǎn)生振蕩所需滿足的增益閥值如下式所示：

(17)

在2011年，一種由多石墨烯層與金屬網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)構(gòu)成的THz放大器模型被提出[115]。該放大器采用網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的金屬片作為濾波腔，并通過周期孔陣列結(jié)構(gòu)誘導(dǎo)表面等離子體激元(Surface plasmon polaritons)以加強(qiáng)網(wǎng)孔附近的電場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)特定THz信號(hào)的最大傳輸(頻率由金屬的網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)參數(shù)決定)。而基于多石墨烯層光學(xué)泵的行波放大器既可通過調(diào)節(jié)石墨烯的層數(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)放大倍數(shù)的調(diào)節(jié)，也可通過增加?xùn)艠O形成GFETs結(jié)構(gòu)，再利用柵極電壓控制石墨烯層的費(fèi)米能級(jí)，實(shí)現(xiàn)對(duì)放大倍數(shù)的控制[116]。

隨著對(duì)石墨烯研究的持續(xù)發(fā)展與半導(dǎo)體器件工藝的不斷進(jìn)步，更多基于GFETs的THz創(chuàng)新技術(shù)將會(huì)涌現(xiàn)，如太赫茲混合器[117]、移相器[118]等，并推動(dòng)著太赫茲科學(xué)與技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展與應(yīng)用。

4 結(jié)論

大規(guī)模集成電路的發(fā)展，迫使晶體管的尺度不斷降低，并有可能令摩爾定律失效。石墨烯基場(chǎng)效應(yīng)管憑借異常薄的二維溝道厚度，使得器件擁有更大的縮微空間而不用擔(dān)心短溝道效應(yīng)、寄生效應(yīng)惡化、量子行為等問題。而眾多基于傳統(tǒng)MOSFETs的器件結(jié)構(gòu)形式，讓GFETs能更好地兼容當(dāng)前的半導(dǎo)體技術(shù)，實(shí)現(xiàn)低成本的產(chǎn)業(yè)升級(jí)。此外，石墨烯出色的電學(xué)特性以及獨(dú)一無(wú)二的零帶隙能帶結(jié)構(gòu)，不僅使GFETs具有優(yōu)良的電路級(jí)優(yōu)值系數(shù)，也讓它形成了獨(dú)特的雙極I-V特性。不斷被證實(shí)的越來越高的器件特征頻率，讓GFETs成為了當(dāng)前太赫茲技術(shù)應(yīng)用的熱門器件，并在太赫茲發(fā)射器、激光器、探測(cè)器、調(diào)制器等領(lǐng)域展現(xiàn)了極高的性能與應(yīng)用前景。

盡管GFETs在太赫茲技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域有著獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，但是要實(shí)現(xiàn)的全面應(yīng)用與產(chǎn)業(yè)化，還需開展更多的研究與改進(jìn)，尤其是在器件工藝上，因?yàn)槭┥形茨茉诠杌囊r底上直接生長(zhǎng)，制備的轉(zhuǎn)移工藝增加了材料受污染、形成缺陷的概率，使得器件無(wú)法達(dá)到預(yù)期性能。而石墨烯與金屬的連接電阻、無(wú)法實(shí)現(xiàn)電流飽和等問題也是限制GFETs在太赫茲頻段應(yīng)用的重要原因。因此，未來還需開展更加深入的研究與探索，才能實(shí)現(xiàn)GFETs在太赫茲技術(shù)的全面應(yīng)用與發(fā)展。