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Double-balanced mixer based on monolayer graphene fieldeffect transistors

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Journal of Semiconductors 2022年第5期43卷 79-83页

作者： Min Wu Weida Hong Guanyu Liu Jiejun Zhang Ziao Tian Miao Zhang School of Microelectronics University of Science and Technology of ChinaHefei 230022China Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology Chinese Academy of SciencesShanghai 200050China

Graphene field-effect transistors(gfet) have attracted much attention in the radio frequency(RF) and microwave fields because of its extremely high carrier mobility. In this paper, a gfet with a gate length of 5 μm is fabricated through the van der Walls(vdW) transfer process, and then the existing large-signal gfet model is described, and the model is implemented in Verilog-A for analysis in RF and microwave circuits. Next a double-balanced mixer based on four gfets is designed and analyzed in advanced design system(ADS) tools. Finally, the simulation results show that with the input of 300 and 280 MHz,the IIP3 of the mixed signal is 24.5 dBm.

关键词： gfet mixer RF simulation IIP3

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液栅石墨烯场效应晶体管直流模型研究

液栅石墨烯场效应晶体管直流模型研究

作者：江珂电子科技大学

学位级别：硕士

随着医疗水平的飞速发展,人们的生活质量得到了很大的提升,然而在我国每天超过1万人被确诊为癌症,每分钟就有7.5个人被确诊为癌症,且数据正在持续上升的趋势,癌症正严重威胁着我们。针对各种各样的癌症,医学上需要对癌症患者身上的体液... 详细信息

随着医疗水平的飞速发展,人们的生活质量得到了很大的提升,然而在我国每天超过1万人被确诊为癌症,每分钟就有7.5个人被确诊为癌症,且数据正在持续上升的趋势,癌症正严重威胁着我们。针对各种各样的癌症,医学上需要对癌症患者身上的体液或血液中的生物分子进行准确迅速的检测,比如循环肿瘤细胞（CTC）,外泌体等,从而判定患者的严重程度并实施相应的策略。然而这些检测物在血液中的浓度很低,因此需要一种灵敏度高,选择性高,检测速度快的生物传感器。纳米场效应晶体管是一种基于纳米材料的新型生物传感器,因其具有独特的理化性质、灵敏度高、选择性高、检测速度快、操作简单以及易于集成等特点,吸引了生命科学和电路领域的广泛关注。而石墨烯是一种体表比大、电子迁移率高、热电传导性好、机械强度高的二维材料,因此石墨烯构成的生物传感器在检测生物分子方面具有得天独厚的优势。本文研究了一种液栅的石墨烯场效应晶体管（LG-gfet）,这种晶体管因其栅介质为电解质溶液,因此能够溶解生物分子,便于生物检测。本文利用这种晶体管检测了一系列外泌体溶液的浓度,并且建立了其改进的电流模型。目前的电流模型都是针对石墨烯场效应晶体管（gfet）建立的,还没有对LG-gfet的建模研究。本文首先基于传统的gfet电流模型,引入双电层电容理论,修正了传统电流模型中的栅极电容模型;另外基于传统场效应晶体管的垂直电场造成的载流子迁移率散射问题,修正了石墨烯场效应晶体管的载流子迁移率,进一步提高模型的准确率。在此基础上,本文从两方面改进了电流模型:一方面将检测物浓度作为模型因变量,使模型能够表征检测物浓度与电流的直接关系,从而通过测得电流计算直接得到检测物浓度。因此本文研究了检测物浓度对石墨烯掺杂的影响以及载流子迁移率的影响,利用化学平衡反应的原理以及弛豫时间函数建立了浓度与掺杂量的关系模型以及浓度与迁移率的关系模型。另一方面将时间作为模型因变量,使模型能够表征电流与时间的关系,从而可以通过任意时间检测得到的电流得到稳定状态下的电流,一改以前只能等待电流稳定状态才读取测量值的情况,是生物检测提高检测速率的一种途径。最后利用LG-FET不同浓度的外泌体溶液进行了检测验证了模型的准确性。

关键词：生物传感器石墨烯 gfet 双电层电容化学平衡反应

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固态微波电子学的新进展

半导体技术 2018年第1期43卷 1-14,47页

作者：赵正平中国电子科技集团公司专用集成电路重点实验室

固态微波电子学是现代电子学的重要分支之一,其基础材料已由第一代半导体Si和Ge、第二代半导体GaAs和InP,发展到第三代半导体GaN和SiC,石墨烯和金刚石等C基新材料正在进行探索性的研究,其加工工艺的尺寸也已进入纳米尺度,其工作频率已达... 详细信息

固态微波电子学是现代电子学的重要分支之一,其基础材料已由第一代半导体Si和Ge、第二代半导体GaAs和InP,发展到第三代半导体GaN和SiC,石墨烯和金刚石等C基新材料正在进行探索性的研究,其加工工艺的尺寸也已进入纳米尺度,其工作频率已达到1 THz,应用的频率可覆盖微波毫米波到太赫兹。目前固态微波电子学呈多代半导体材料和器件共同发展的格局。综述了具有代表性的11类固态器件（RF CMOS,SiGe BiCMOS,RF LDMOS,RF MEMS,GaAs PHEMT,GaAs MHEMT,InP HEMT,InP HBT,GaN/SiC HEMT,gfet和金刚石FET）近几年的最新研究进展,详细介绍了有关固态微波电子学的应用需求、技术特点、设计拓扑、关键技术突破和测试结果,分析了当前固态微波电子学总的发展趋势和11类固态微波器件的发展特点和定位。最后介绍了采用3D异构集成技术的射频微系统的最新进展,指出射频微系统是发展下一代射频系统的关键技术。

关键词：固态微波电子学 RF CMOS SiGe BiMOS RF LDMOS RF MEMS GaAs PHEMT GaAs MHEMT InP HEMT InP HBT GaN/SiC HEMT gfet 金刚石FET 射频微系统 3D异构集成

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微型G-FET器件研制系统及其关键技术

微型G-FET器件研制系统及其关键技术

作者：陈金龙厦门大学

学位级别：硕士

gfet(石墨烯场效应管)以其超高的电导率和极小的器件尺寸有望续写摩尔定律的神话,成为新一代半导体器件。而构成gfet的核心材料——石墨烯的高品质制备是研究微纳器件性能及其应用的基础和前提。作为传统CVD法和MEMS技术的结合——μCVD... 详细信息

gfet(石墨烯场效应管)以其超高的电导率和极小的器件尺寸有望续写摩尔定律的神话,成为新一代半导体器件。而构成gfet的核心材料——石墨烯的高品质制备是研究微纳器件性能及其应用的基础和前提。作为传统CVD法和MEMS技术的结合——μCVD(微型化学气相沉积)系统具有低成本、高效率、可重复性等优势,极大地促进了纳米材料制备方案的改进及其应用的发展。本文首先介绍了 gfet的结构特征和制备工艺,相应地阐述了石墨烯的特性、转移技术、工艺目标等,接着从μCVD系统的三个关键技术一—结构设计、温度测控和显微成像展开论述。结构设计技术解决了μCVD芯片的温度分布问题,使电流产生的焦耳热均匀分布在反应平台上;温度测控技术解决了μCVD系统中影响石墨烯生长质量的决定因素——温度的精确检测和稳定控制问题;显微成像技术作为μCVD系统生长石墨烯实验中的辅助监控手段,其自动聚焦和图像拼接成为整个成像系统的关键。本论文的主要工作及技术创新点体现在:(1)基于μCVD系统的理论模型分析,采用机械设计软件SolidWorks 2014绘制μCVD芯片的3D结构,并将其导入到ANSYS软件中进行结构、热、电多物理场耦合仿真分析,从而设计出六悬臂加热芯片,确保了反应平台的温度均匀性。(2)采用非接触式红外探头对μCVD系统的温度检测进行设计,运用STM32微控制器和模糊PID控制算法实现了温度的快速响应、稳定输出。搭建温度测控软硬件平台后进行实验,结果证明可以有效实现高温的检测与控制。(3)选用1400万像素CMOSCGU3-1400C摄像头进行二次开发,提出优化的自动聚焦算子,并用MATLAB仿真其聚焦曲线。设计出μCVD系统显微成像软件,实现μCVD系统石墨烯的图像采集、处理及拼接融合功能。此外,本文还就整个μCVD系统的平台搭建、设备选型、输气方案、腔体结构等进行简要设计,并对μCVD显微成像软件的操作流程进行详细说明,以方便科研人员的使用。

关键词： gfet μCVD 石墨烯温度控制显微成像

光电双通道石墨烯场效应管生物传感器系统的构建及对DNA分子的检测

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光电双通道石墨烯场效应管生物传感器系统的构建及对DNA分子的检测

作者：汤彩艳山东师范大学

学位级别：硕士

DNA杂交的动力学检测在疾病的诊断,病原体感染疾病的治疗和法医鉴定的过程中起着越来越重要的作用,本文基于化学气相沉积法(CVD)生产的石墨烯(GNs)构建了光电双通道生物传感器及检测系统并由它实现了对DNA分子杂交的动力学检测研究。传... 详细信息

DNA杂交的动力学检测在疾病的诊断,病原体感染疾病的治疗和法医鉴定的过程中起着越来越重要的作用,本文基于化学气相沉积法(CVD)生产的石墨烯(GNs)构建了光电双通道生物传感器及检测系统并由它实现了对DNA分子杂交的动力学检测研究。传感器的构建过程是由CVD生产的GNs经过湿法转移的方式转移到带有氧化烟锡电极的玻璃板上形成石墨烯场效应管(gfet)作为生物传感器的电学检测通道;利用1-芘丁酸琥珀酰胺酯(PBASE)将被荧光修饰的探针链(Aptamer)固定到GNs表面,接着加入氧化石墨烯(GO)猝灭修饰在Aptamer上的荧光,从而建立生物传感器的光学检测通道。互补链存在时,互补链和Aptamer结合脱离GO使修饰在Aptamer上的荧光恢复,与此同时,互补链代替GO与Aptamer结合从而建立新的双导电层引起GNs电导率的变化。光电双通道检测系统的构建主要包括光路和电路两部分。其中,光路部分的构成主要包括LED灯、光线准直器、凸透镜、二向色镜以及光电倍增管(PMT)。LED灯发出的光经过光纤准直器、二向色镜反射、凸透镜等聚集到生物传感器的反应腔中提供激发光源,被激发的荧光透过二向色镜后经过凸透镜聚集到PMT的有效感应区,PMT将光学量信号转换为电学量信号之后通过滤波器、放大器以及模/数转换器最后得到相应的电压值来反映反应腔内物质的荧光强度从而组成生物传感器的光检测通道。电路部分的构成主要包括电源模块、AD信号采集模块、PMT增益控制模块、信号调理模块、栅压输出模块以及桥式电路模块。系统的电源模块通过对输入电压进行适当的转换为系统模块提供稳定性好的优质能源。在生物传感器检测目标分子时,固定栅压输出模块输出的栅压值,利用桥式电路模块测量gfet源漏极间的电压来反映GNs电导率的变化从而组成生物传感器的电学量检测通道,与此同时利用PMT增益控制模块调节合适的PMT增益对系统的光信号进行光电转换和数据采集。AD信号采集模块将采集到的光路信号和电路信号进行模数转换之后输入上位机进行信息处理和保存。该系统结合了gfet生物传感器和荧光共振能量转移(FRET)生物传感器来共同实现对生物分子的检测。自制的光电双通道检测设备通过记录荧光强度和GNs电导率的变化来实时地反映DNA分子的杂交过程。与传统的具有单一检测方式的生物传感器相比,光电双通道生物传感器能够更加灵敏和可靠地检测DNA杂交随时间和浓度的变化,检测下限达到50nM,与以往的用于实时检测DNA链杂交过程的生物传感器相比,提高了2个数量级。除此之外,这项工作还为设计多重传感技术的生物传感器提供了一种新的方法。

关键词： GNs gfet 光电双通道系统 FRET 生物传感器 GO DNA杂交

面向血红蛋白检测的石墨烯场效应晶体管纳米传感器研究

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面向血红蛋白检测的石墨烯场效应晶体管纳米传感器研究

作者：艾萨拉（AISARA KOSPAN）哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

近年来,慢性病的患病率急剧上升,威胁着人类健康,影响着人们的生活质量。现有的临床检测技术成本高、耗时长,无法实现对慢性病的低成本快速检测。石墨烯场效应晶体管（Graphene Field Effect Transistor,gfet）纳米生物传感器具有灵敏... 详细信息

近年来,慢性病的患病率急剧上升,威胁着人类健康,影响着人们的生活质量。现有的临床检测技术成本高、耗时长,无法实现对慢性病的低成本快速检测。石墨烯场效应晶体管（Graphene Field Effect Transistor,gfet）纳米生物传感器具有灵敏度高、响应快等优点,在疾病预防和诊断中具有广阔的应用前景。本文介绍了一种基于适配型gfet传感器的平板液栅型gfet纳米生物传感器的设计与制作。通过理论分析和实验研究了核酸适体蛋白亲和结合对石墨烯中载流子浓度和Dirac点位置的影响,从而揭示了gfet纳米生物传感器对蛋白质生物标志物检测的传感机理。利用Hill方程和gfet输运特性建立了gfet纳米生物传感器响应信号与蛋白质浓度之间的数学模型,为解释核酸适体蛋白亲和结合效应对石墨烯漏源电流的影响提供了理论和实验支持。以血红蛋白分子为主要研究对象,利用gfet纳米生物传感器在人工磷酸盐溶液（PBS）和生物（血清）样本中对血红蛋白生物标记物进行了检测实验,以证明该核酸适配体与蛋白质分子具有良好的结合亲和力。利用拉曼光谱、能谱仪（Energy Dispersive Spectrometer,EDS）和电检测等手段对PASE功能化、核酸适体修饰和裸石墨烯进行了表征。

关键词：血红蛋白检测蛋白质生物标记物检测适配体石墨烯 gfet 纳米生物传感器

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CVD石墨烯及其在光电器件中的应用研究

CVD石墨烯及其在光电器件中的应用研究

作者：符亚菲北京工业大学

学位级别：硕士

石墨烯的出现,激发了二维材料的研究热潮。目前,石墨烯已被发现的性能在众多领域中占据着首位,被认为是一种未来革命性的材料。在光电器件领域,石墨烯拥有超高的载流子迁移率、可调的电导率和极高的透光率等优异的光学和电学性能,具有... 详细信息

石墨烯的出现,激发了二维材料的研究热潮。目前,石墨烯已被发现的性能在众多领域中占据着首位,被认为是一种未来革命性的材料。在光电器件领域,石墨烯拥有超高的载流子迁移率、可调的电导率和极高的透光率等优异的光学和电学性能,具有很大的发展潜力和应用前景。本文从实用化前景出发,选择与半导体技术基本兼容的化学气相淀积（CVD）方法制备的大面积石墨烯,开展了其在太赫兹探测器和micro-LED中的应用研究（尤以micro-LED为重）。本论文是在国家重点研发计划（No:2017YFB0403100,2017YFB0403102）的支持下完成的,主要研究内容如下:（1）设计并制备了一种蝶形天线集成的石墨烯太赫兹探测器,确定了器件的关键参数,如电极形状和尺寸,沟道间距,石墨烯尺寸,栅氧化层形状和厚度等,并对栅氧化层材料进行了遴选,优化了电极剥离的工艺。（2）探究了器件耦合效率最高的频率,对gfet进行了场效应测试,对石墨烯太赫兹探测器进行了常温和低温条件下的光响应测试。（3）第一次提出将基于GaN的micro-LED和gfet驱动电路集成到同一衬底来规避目前micro-LED的巨量转移问题。设计和制备了一种基于GaN的microLED和gfet单片集成的器件,同时石墨烯还作为micro-LED的透明电极。确定了器件的关键参数,如micro-LED的尺寸,石墨烯的尺寸,gfet的沟道间距,电极面积,栅氧化层和隔离层的形状,研究了器件制备的工艺条件及所需的材料。（4）对micro-LED/gfet单片集成器件分别进行了单独和集成的测试,研究了gfet的输出特性和转移特性,micro-LED的I-V特性及电流扩展情况,探究了gfet对micro-LED的调控能力。

关键词： CVD石墨烯 gfet 太赫兹探测器 GaN micro-LED

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Si基高频场效应晶体管特性仿真及工艺研究

Si基高频场效应晶体管特性仿真及工艺研究

作者：田学东中北大学

学位级别：硕士

随着高频器件在电子信息技术领域的广泛应用，以GaAs-HEMT为代表的新一代微波以及毫米波器件成为高频卫星通信、射电天文、电子战等领域不可或缺的核心部件。近年来，由于石墨烯材料的零禁带特性使得石墨烯场效应晶体管等高频器件也逐... 详细信息

随着高频器件在电子信息技术领域的广泛应用，以GaAs-HEMT为代表的新一代微波以及毫米波器件成为高频卫星通信、射电天文、电子战等领域不可或缺的核心部件。近年来，由于石墨烯材料的零禁带特性使得石墨烯场效应晶体管等高频器件也逐渐引起国内外研究者的广泛关注。Si作为使用最广泛的半导体材料，其成熟的工艺和优良的材料特性使得器件具有成本低、应用广泛等特点。本文主要研究了Si基GaAs-HEMT结构和Si基石墨烯场效应晶体管直流特性及加工工艺。（1）用TCAD工具对所设计的GaAs-HEMT结构进行直流特性仿真：①.随着势垒层厚度的增加，GaAs-HEMT结构的阈值电压逐渐增大，源漏跨导随势垒层厚度的降低逐渐收敛;②.GaAs-HEMT器件跨导随栅长的减小而增大且阈值电压随栅长的增加向正电压方向移动;③.势垒层掺杂会导致栅极漏电流的增大同时器件出现双导电沟道;④.GaAs-HEMT结构的温度系数与栅极电压有关，当栅压为0V时在10-6数量级。（2）设计加工了Si基GaAs-HEMT的结构：①.利用超晶格技术对Si基GaAs薄膜材料进行优化，对优化后薄膜材料利用扫面电子显微镜（SEM）观察得到其缺陷密度约为106数量级，利用原子力显微镜（AFM）得到10μm×10μm的薄膜范围内，表面粗糙度为5.21nm，同时利用透射电子显微镜（TEM）和X-射线衍射（XRD）可以明显观察到薄膜质量得到优化。②.利用柠檬酸/双氧水对GaAs和AlGaAs材料腐蚀速率不同的特点，得到了柠檬酸:双氧水=3:1时GaAs/AlGaAs的选择性腐蚀比最大约为3.5。③.利用表面微电子工艺制作出了Si基GaAs-HEMT结构。（3）设计加工了Si基石墨烯场效应晶体管结构，利用反应离子刻蚀（RIE）工艺、欧姆接触工艺、肖特基接触工艺、金属剥离工艺以及原子层沉积（ALD）工艺等工艺加工制作出了Si-gfet结构。（4）测试了Si基高频场效应晶体管结构的基本电学特性：①.对Si基GaAs-HEMT结构进行直流测试，经过拟合得到其最大源漏电流约为7mA，阈值电压约为-2.8V，针对测试结果分析Si基GaAs-HEMT结构的工艺可行性。②.测试了Si-gfet直流特性，得到器件的沟道电阻分在1600左右。本文将GaAs-HEMT结构的高频特性与Si材料的力学特性相结合，创新性地提出了Si基GaAs-HEMT结构并实现其加工工艺，为扩展GaAs-HEMT结构的应用范围提供一定的工艺基础。此外实现了Si基石墨烯场效应晶体管结构的加工工艺，得到了性能良好的Si-gfet结构。

关键词：高频场效应晶体管 GaAs-HEMT gfet Si基 TCAD

石墨烯基场效应晶体管技术的发展及相关专利分析

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河南科技 2019年第36期38卷 60-64页

作者：朱丹丹张燕楠王建霞孙健国家知识产权局专利局专利审查协作河南中心

石墨烯基场效应晶体管(gfet)技术是实现基于石墨烯的高频器件、存储器、传感器以及集成电路的基本器件结构,其在半导体电子器件领域具有广泛的应用前景。本文从专利申请的角度对gfet的发展进行了统计分析,介绍了gfet技术的国内外专利申... 详细信息

石墨烯基场效应晶体管(gfet)技术是实现基于石墨烯的高频器件、存储器、传感器以及集成电路的基本器件结构,其在半导体电子器件领域具有广泛的应用前景。本文从专利申请的角度对gfet的发展进行了统计分析,介绍了gfet技术的国内外专利申请情况、主要技术分布和重要申请人分布,并对gfet的研究现状进行了梳理。

关键词：石墨烯 gfet 专利分析