SiC衬底外延石墨烯场效应晶体管微波噪声行为分析

Graphene’s high mobility and high saturation velocity can potentially allow for very high operation frequency as well as low noise for low noise amplifier. To realize the application of graphene field-effect transistors in low noise amplifier, the noise parameters of graphene devices, especially the high-frequency noise parameters, need to be studied deeply. This project will study the microwave noise behavior of epitaxial graphene field-effect transistors on SiC substrate. By material preparation process control, epitaxial graphene with different layer numbers (one/two layers), doping types (n/p type), and carrier mobility will be obtained. The graphene transistors’ fabrication technology will be developed and optimized. The measurement method of noise parameters will be developed and the noise parameters will be modulated to analysis the influence factors of graphene transistors’ noise. This project will build the physical model and simulation model, and lay the foundation of graphene low noise amplifier.

利用石墨烯高的迁移率和高的饱和漂移速度，石墨烯低噪声放大器可具有更高的工作频率、更低的噪声。为实现石墨烯晶体管在低噪声放大器的应用，需要深入研究石墨烯器件的噪声行为，特别是器件的高频噪声特性。本项目选取SiC衬底上制备的外延石墨烯晶体管作为研究对象，对器件微波噪声行为开展分析，通过调控材料生长工艺，获得不同层数（单/双层）、掺杂类型（n/p型）、迁移率的外延石墨烯材料；突破器件关键工艺技术，制备外延石墨烯场效应晶体管器件；开展器件噪声测试和噪声建模仿真研究，深入分析影响器件噪声行为的因素，建立石墨烯场效应晶体管器件的噪声物理模型和仿真模型，为石墨烯在低噪声放大器应用奠定基础。

利用石墨烯高的迁移率和高的饱和漂移速度，石墨烯低噪声放大器可具有更高的工作频率、更低的噪声。为实现石墨烯晶体管在低噪声放大器的应用，需要深入研究石墨烯器件的噪声行为，特别是器件的高频噪声特性。.本项目针对可应用于低噪声放大器的石墨烯场效应晶体管器件的微波噪声行为展开系统研究，深入细致分析了石墨烯掺杂类型、浓度、层数、器件结构等因素对石墨烯晶体管噪声影响及作用机制，建立了石墨烯晶体管器件噪声模型，对比BN/单层石墨烯晶体管，蓝宝石/单层石墨烯晶体管和SiC基双层近自由态石墨烯晶体管的本征最小噪声系数，SiC基双层近自由态石墨烯晶体管的本征最小噪声系数最小，分析造成该现象主要有两种原因。一、双层石墨烯晶体管栅长最小，使得其本征电流截止频率高。二、碳化硅基双层近自由态外延石墨烯比转移的单层石墨烯具有更高的载流子迁移率。以上分析表明，为降低石墨烯晶体管的噪声系数，需要优化石墨烯材料质量，获得高迁移率石墨烯材料；同时优化石墨烯晶体管特征尺寸，提升器件的频率。在此基础上设计和实现了C波段和Ku波段石墨烯低噪声放大器电路。C波段单级石墨烯低噪声放大器单片集成电路5.5 GHz增益最大，为8.34 dB；电路噪声在5.77 GHz最小，最小为4.96 dB。Ku波段双级石墨烯低噪声放大器单片集成电路12.7 GHz下增益10.24 dB，最小噪声系数在12.4 GHz下达到4 dB。.本项目研究结果对于认识和提升石墨烯晶体管的噪声特性具有重要的参考价值，为石墨烯低噪声放大器电路的设计和研制提供了重要的依据和指导。