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混频器电感器石墨IBM用石墨烯制成混频器IC 将用于模拟电路

  美国IBM公司利用以石墨烯作通道的晶体管(GFET)等制成了混频器IC。从GFET的形成、层叠到电感器和布线的集成,均在晶圆上一次性制成,首次展现了采用石墨烯的IC量产的可能性。

  此次制成的混频器IC因尺寸非常小,显示出了其特性温度依存性小,而且可在10GHz的大带宽工作等出色性能。IBM称今后的目标是将GFET混载于更复杂的电路中。

IBM以前制作的GFET的示意图  

IBM以前制作的GFET的示意图(点击放大)

  在SiC基板上外延生长

  混频器是无线通信中用于调制频率的电路。此次的混频器IC由1个栅极长为550nm的GFET、2个电感器以及4个端子焊盘等组成(图1)。试制芯片的尺寸约为900μm×600μm。

  试制时,首先用热分解法令石墨烯膜在SiC基板上外延生长。具体为,把SiC基板的表面加热至1400℃,只令Si从表面2~3层的SiC结晶中脱离出来。剩下的C会自动形成石墨烯膜。该石墨烯膜显示出n型半导体的特性。

GFET和电感器混载于一枚芯片上  

图:GFET和电感器混载于一枚芯片上(点击放大)

  图中展示了IBM开发的混频器IC。在利用热分解法形成石墨烯后,依次制作布线层的源漏电极、栅极电极及电感器。栅极长为550nm,通道宽度为30μm。

  在该石墨烯膜上制作掩模,使用基于电子光束(EB)的光刻技术在石墨烯膜上形成图案。然后,层叠源漏电极。在形成作为栅极绝缘膜的Al2O3后,形成栅极电极。接着通过使用垫片叠加Al层,以EB加工成电感器。

  在评价此次的试制品时,确认了其可按照设计工作。即输入4GHz的局部振荡(LO)频率和3.8GHz的模拟信号时,输出了这两种频率的和7.8GHz及差200MHz。

  此次混频器IC使用了高价的SiC基板,这是其实用化所面临的主要课题。不过,与使用GaAs、工作频率为几GHz的混频器IC产品相比,还是有其优势的。因为现有混频器IC无法混载电感器,需要外置被动部件。


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