柔性衬底石墨烯薄膜场效应晶体管射频建模技术研究

As new type of semiconductor device, Graphene Thin Film Transistors on flexible substrate has received substantial attention among researchers at home and abroad. Now, some researchs have been reported related to RF device, while the model of Graphene RF device on flexible substrate has not started. Relying on the advanced facilities in the Micro and Nanotechnology Laboratory in University of Illinois and Urbana-Champaign and the Microwave Device Laboratory in the Hefei University of Technology, experienced researchers from material science, nanotechnolgy and microwave technology areas will systematically investigate the radio frequency (RF) modeling technology of the Graphene Thin Film Transistors (G-TFTs) on flexible substrate. The entire research will focus on three sub-projects: (1) Back gate G-TFTs on flexible substrate with good RF performance will be designed and fabricated using single layer graphene thin film and graphene nano-ribbon array as the channel structures; (2) Complete DC and RF characteristics of the fabricated G-TFTs with different strain conditions of the graphene layer will be measured in the Microwave Device Laboratory to build device data base for the modeling purpose; (3) Equivalent circuit topology of G-TFTs on flexible substrate for the small signal and large signal operation and the corresponding extracting methodology for the circuit lumped elements will be studied. Finally, a world first model of G-TFTs on flexible substrate will be embedded in a commercial simulator, like Advanced Design System (ADS), to perform a circuit level simulation.

柔性衬底石墨烯场效应晶体管做为新型半导体器件研究热点，受到了国内外学者的广泛关注。目前已经有相关射频器件的研制报道，但针对柔性衬底石墨烯射频器件的建模工作却没有展开。本项目依托微纳实验室和微波器件实验室，集中材料学科，纳米器件制造学科和微波电路学科人员，围绕柔性衬底石墨烯薄膜场效应晶体管展开研究，旨在对具有良好射频特性的背栅结构石墨烯晶体管建模，场效应管的沟道采用单层石墨烯薄膜和纳米带状阵列石墨烯薄膜两种结构形式。利用微波实验基地设备，在衬底不同应变量条件下对器件进行较为完备的直流特性和射频性能测试，建立器件性能指标数据库。以数据库为基础，设计合适的等效电路拓扑结构和等效元件的提取、计算方法，建立首个柔性衬底石墨烯场效应晶体管射频模型，并应用于ADS软件中的电路级仿真。为石墨烯射频器件建模提供研究基础和应用参考。

以硅材料为核心的传统元器件日益趋近物理极限，越来越难以满足电子系统小型化、高性能的需求。石墨烯作为一种新型电子材料，以其优异的电性能、热性能和应力性能引起国内外研究者的广泛关注，有望成为下一代半导体器件的核心电子材料之一。以石墨烯为导电层的场效应晶体管作为一种新型纳米器件，能够满足高性能与小型化结构的要求，成为目前电子器件的研究热点。准确建立器件模型，对于微波和射频电路的设计至关重要。同时，共形复用系统，可穿戴系统也对微波电路的柔性化提出了越来越高的要求。报告针对石墨烯场效应晶体管器件模型展开研究，建立了完整的等效电路模型，并研究了柔性衬底的弯曲特性，研制了柔性衬底微波器件。.报告介绍了石墨烯场效应晶体管的基本结构，详细分析了其工作原理和电学特性。针对与合作单位共同研制的射频石墨烯场效应晶体管，建立了小信号等效电路模型。提出了石墨烯场效应晶体管的等效电路模型参数的初值测试提取方法，以及S参数优化方法。在小信号模型的基础上，报告对比了MOSFET、HEMT与石墨烯场效应晶体管的异同，对Angelov非线性模型进行了简化与改进。提出了电流-电压，栅源、栅漏电容非线性表达式，建立了石墨烯场效应晶体管射频大信号模型。并将完整的模型嵌入电路仿真软件，进行电路参数仿真，与晶体管的实测数据对比显示，本文建立的模型具有较好的准确度和实用性。课题研制的柔性衬底偶极子天线具有较好的带宽和电讯能稳定性，对柔性微波器件的设计和应用具有较强的参考价值。